动力电池管理系统方案比较及选用原则
王宇松;温发林;张文峰
【摘 要】通过分析电池管理系统功能、结构及其关键技术，研究电池管理系统的实现方案，从技术的实现、器件的选择、算法的比较等方面阐述分列元件组成的管理系统，从AD采样精度、级联方面比较专用电池管理芯片，并提出电池管理系统选用的原则和需要考虑的因素。%From analyzing the battery management system function , structure and key technology , and studying the implementation of battery management system ,disaggregated components of the management system was draw from the
implementation of technology ,the device selection and more algorithms compari-son.Selection principles and considered issues of battery
management system were proposed from AD sampling accuracy ,level way associated with relatively dedicated battery management chip in the paper .
【期刊名称】《蚌埠学院学报》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】4页(P12-15)
【关键词】电池管理系统;分列元件;电池管理芯片;选用原则 【作 者】王宇松;温发林;张文峰
【作者单位】龙岩学院 物理与机电工程学院，福建 龙岩 3000;龙岩学院 物理与机电工程学院，福建 龙岩 3000;龙岩学院 物理与机电工程学院，福建 龙岩 3000
【正文语种】中 文 【中图分类】TM912
当今世界，在能源枯竭和环境保护的要求下，对消耗大量能源和排放大量尾气的汽车工业提出巨大的挑战，各国和汽车企业因此转向研究零排放的电动汽车［1］。电动汽车的核心技术之一是动力电池管理系统(BMS，Battery
Management System)，BMS对电池性能、使用寿命、安全性有重要影响，为了满足电动汽车电机需要的电压，需要把几十节、上百节的动力电池连接起来，这些电池的特性各不相同，为了得到最佳的电池性能，需要对电池组的电压、电流、温度、电池剩余容量(SOC，State of Charge)等参数进行检测［2］。当前，针对动力电池管理系统的所需功能和要求，有多种实现方式，本文重点对电池管理系统的实现技术及主要技术方案进行比较，分析当前的几种主要实现方案的优缺点，并在此基础上，对动力电池管理系统的选择和使用提出一些选用原则。 1 动力电池管理系统主要功能
动力电池管理系统主要通过传感器检测电池的参数，传输到CPU，经过CPU处理来控制均衡模块和进行热处理，同时把数据和汽车控制器进行交换信息［3－4］，如图 1 所示。
动力电池管理系统主要包括模拟前端数据采集模块，主要功能是对单体电压、电池组电压、充放电电流、电池温度等参数进行采集;均衡控制模块，主要功能是保持单体电池电压的一致性;热管理功能主要是监控电池的温度，减少温度对电池性能
的影响;通讯部分主要功能是用于和汽车控制系统进行通讯;显示部分主要用于显示当前的动力电池管理系统的工作状态。 图1 系统结构图 2 动力电池功能实现方案
当前动力电池功能的实现方案主要有两种，一种是采用分立元件构成其解决方案，用简单的电子元器件构成BMS的功能，另一种是采用单芯片解决方案，下面对这两种方案进行分析比较。 2.1 用分立元件构成BMS
电压采集。电压采集主要利用AD转换的方式，一般由两种方式实现:一种是通过对电池电压的电阻分压，调整电压到适合AD采样的范围;另一种是通过多路开关进行切换，可以用继电器或者模拟开关的方式实现。
温度采集。温度采集部分的功能主要是对单体电池温度进行检测，防止电池由于温度过高而损坏，也用于热管理的温度检测。在温度采集中能够工作的温度传感器主要有热电阻式、热敏传感器、集成传感器［5］。目前由于集成传感器使用方便，参数符合要求，在系统中用的较多。各种温度传感器的技术参数比较如表1所示。 表1 温度传感器技术参数比较 ℃传感器 测量范围 测量误差 信号调理热电阻 －200－2400 1－5需要热敏电阻 －280－1300 0.5－10 需要集成传感器 －40－150 0.5不需要
均衡模块。由于电池在制造生产中的特性和在使用过程中的不一致性，会使电池性能降低，为了消除这种问题，主要使用均衡模块来控制。均衡模块的作用主要是控制单体电池的一致性，同时在电池充放电过程中保持电池特性的一致性。当前，主要有能耗均衡方法和非能耗均衡方法，其中能耗均衡方法如图2所示，主要利用采集到的单体电池电压来检测单体电池是否是一致性。当某一节电池电压过高时，通过AD采样活动电压来通过控制器控制对应的MOS管打开，电流流过并联的电
阻后，消耗掉过高的能量，从而达到均衡的目的。 图2 能耗均衡原理图
为了克服能耗均衡的浪费能源的缺点，设计利用储能元件电容来实现能量转移，利用控制器控制MOS管开关的顺序，可以使电池上电压最高的电池对电容充电，达到降低电池电压的目的。同时，AD采样到某个电池电压较低时，可以利用电容对电压较低的电池充电，提高电池电压，达到整个电池组电池电压的动态一致性，提高电池组的使用寿命，如图3所示。 图3 非能耗均衡原理图
SOC估计策略研究。SOC估计是电池管理系统的核心功能之一，但由于电池在使用过程中的不确定性，导致了SOC估计的准确程度不一致，因此，国内外对此均进行了深入的研究分析。目前常用的方法有安培积分法、开路电压法、内阻法、线性模型法、神经网络法和卡尔曼方法。 安培积分法主要是利用公式
其中Ct是电池的额定容量;∂是效率;I是充放电电流。安培法较为简单，计算量小，使用方便，开环预测，但测量精度不高，误差较大。
开路电压法主要是根据电池的电压来预估SOC，利用厂商提供的开路电压和电量之间的已知曲线关系，通过采集电池的开路电压换算成相对应的SOC。虽然简单方便，但是测量精度不高，不同电池的重复性不高，在使用中具有一定的局限性。 内阻法主要是将交流电注入到蓄电池，然后通过交流电的电压和电流值计算蓄电池的内阻，最后通过内阻和容量的关系判断蓄电池当前容量。其中放电后期SOC估计效果较好，电池的电阻值测量准确度不高。
线性模型法主要利用电流电压和SOC的关系进行预估，该方法是基于SOC变化量、电流、电压和上一个时间点SOC值，建立的线性方程，
式中:ΔSOC(i)为SOC变化量;U，I为当前电压、电流值;β0－β3为由最小二乘法得到的系数。此方法只对低电流和 SOC缓变效果好，鲁棒性好［6－7］。 神经网络法具有并行计算和学习能力，利用大量的数据进行训练学习，对外部输入能够有相对应的输出，能够通过模拟电池的非线性动态估计SOC，需要大量参考数据进行训练，估计误差受训练数据和方法的影响较大。
卡尔曼方法是将电池的非线性状态空间模型线性化，对动力电池的状态最小方差的最优估计，推导出能够估计SOC的方程，并能够估计误差、协方差矩阵的方程，具有准确度高的特点，对电流波动比较剧烈的汽车电池SOC的估计效果好，能较好解决电池自放电问题，但是需要大量的计算，对系统的计算能力要求较高［8－9］。
2.2 采用集成电源管理芯片解决方案
为了克服分立元件具有元器件多、调试困难、精度较低的问题，目前的主要芯片厂商ADI、Linear、Maxim等也推出了自己的单芯片的动力电池管理的解决方案，通过专门的动力电池管理芯片，可以完成BMS的电压检测、电流检测、均衡控制、电池保护等功能，具有控制简单，测量速度快，精度高的特点［10］。 Linear公司的LTC6804可以同时检测12个串联电池的电池电压，测出1.2 mV的最大总测量误差，可以在290 μs内完成系统中所有电池的测量。ADI公司的AD8280是一款用于锂离子电池组的纯硬件安全监控器，有多个输入可用来监控6个电池的输入电压以及2个温度传感器。多个AD8280器件可以通过菊花链方式连接起来，监控多于6个电池的电池组。Maxim电池测量模拟前端(AFE)器件用于高精度采样电池电压，并提供电平转换，可支持多达16节电池，产品的具体参数比较如表2所示。
表2 主要性能指标比较注:“－”为暂未公开官方数据。产品 测量电池数/节温度
测量 接口 ADC 精度/mV AD8280 6 2路SPI － 1.6 LTC6804 12 2路 SPI/I2C 16位 1.2 MAX1492116无SPI无1
当采用单芯片的解决方案后，很多参数的采集处理工作由电池管理芯片完成，减少前端硬件设计工作量，电池管理系统的实现方式就会发生变化，整个系统结构图如图4所示。
图4 电池管理芯片结构图
采用电池管理芯片后，电池电压、电流参数等检测由电池管理系统完成，采集完成的电池参数，通过SPI总线传输到处理器进行数据处理，实时分析电池参数状态信息，作为处理器动作的依据。采用单芯片解决方案后，可以简单可靠地获得参数信息。 3 选用的原则
通过对两种方案的功能分析，了解了两种方案的主要技术细节和优缺点，在应用时可按照以下原则进行选择。
从功能、测量精度上看，动力电池管理系统首先需要满足系统功能和测量精度的需要，利用分立元件设计系统时，需要选择精度较高的传感器来采集参数，同时在电池电压采样时需要选择分辨率、12位以上的AD转换器才能满足设计需要，需要设计开发多路的数据采集模块，专用的电池管理芯片针对电池管理的功能要求，集成了满足电池功能的模块。因此，专用电池管理芯片只需要在外围接上少量的器件，就可以组成满足功能的管理系统。
从系统可靠性、安全性选择，由于汽车运行时的环境比较恶劣，特别是电动汽车的电池部分，容易引起过热、着火、爆炸等危险，因此，电池管理系统的可靠性、安全性具有非常严苛的要求。分立元件设计参数、核心器件的选择等由设计公司自己选择，缺少统一设计标准规格，在安全性、可靠性方面缺少相关的认证和数据，因此，分立元件组成的系统在安全性方面缺少验证。而ADI、Linear、Maxim等公
司推出的电池管理芯片是高度集成，需要外围的器件很少，减少了故障的概率，同时经过严格的设计、测试，在投产之前都经过了严格的现场应用测试，都能够提高电池管理芯片设计管理系统的安全性和可靠性。
从器件、芯片的选择上，电池管理系统的核心器件在系统中起到关键作用，在核心器件的选择上，可以从价格、芯片的复杂度、供货能力、资料的完善程度、芯片厂商的技术实力等方面进行考察。因为对一个动力电池管理系统来说，需要考虑到未来产品的研究难度、生产、技术升级等方面的问题;从技术功能上需要考虑芯片的均衡控制方式，系统的扩展方式，是否可以级联，以及级联的方式。
从系统安装、集成等方面考虑，从产品后期在汽车中安装和其他系统集成角度考虑，分立元件由于设计信号采集模块。因此需要安装大量的采集节点，需要连接大量的导线，增加了现场出现问题的概率，现场布线困难，同时会占用大量的空间，而集成电池芯片不存在这些问题，能够大量减少系统安装、集成等方面的工作。 因此，综合上述原则，选择方案时应优先选择专用芯片，只有在对价格敏感，而对其他方面要求较低时的应用，是一种低端的解决方案，而在专用芯片方面，目前Linear公司的LTC6804芯片在性能参数、市场推广、设计资料等方面具有较大的优势，在设计时可以优先选择。 4 结论
在分析动力电池管理系统功能基础上，从方案实现的层面来分析研究动力电池管理系统，分析了用分列元件实现的技术方案，以及采用专门的电池管理芯片实现这些功能的技术方案，从实用性、工程性的角度探讨了各种方案的优缺点，并提出在选择电池管理系统时的注意事项和选用原则。 参考文献:
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