电动车电池管理系统设计及实现

摘要：本文介绍了电池管理系统的基本功能，提出了一种分散数据采集和集中数据处理的实现方法。实现了电动车电池电压、电流及温度等参数的监控，保证电池在正常状态下工作，延长了电池的使用寿命。
关键词：电动车；电池管理系统；监测；控制

0 前言
电动车的开发和研究是解决能源短缺和改善环境的有效手段之一，是当代汽车发展的重要方向，“十一五”期间被列入了“863计划”重大专项。目前，电动车技术越来越受关注，影响电动车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题。延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制。

1 基本功能及系统结构
1．1 基本功能
电池管理是基于微计算机技术、检测技术和自动控制技术对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，进一步提高电池组的可靠性，达到延长电池使用寿命，降低运行成本的目的。电池管理要实现以下几个功能：
(1)数据采集：实时采集电动车电池组中的每块电池的端电压、温度和充放电电流。
(2)SOC(荷电状态)的估算：预报电动车电池的剩余容量，让用户了解电池的使用情况。
(3)电气控制：根据所检测的电池组中每块电池的有关数据，通过一定的运算处理，确定每块电池的充放电状态，当电池的充电达到额定容量时控制充电器停止充电，实现智能充电。当电池电量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过高时，及时报警并停止电池放电。
(4)数据显示：实时显示电池组总电压、单体电压、电流及温度参数。
(5)数据共享：与外部设备进行通信，实现数据的共享。
1．2 系统结构
电池管理系统主要应用在电动车上，在设计上应尽量使系统结构先进，合理可扩展；功能完备，满足电动车的全面要求；各种参数检测精确度好，可靠性高。根据这一设计思路，本文提出一种分散数据采集和集中数据处理的方法，设计了电压、电流、温度采集电路，通过中央控制单元完成算法与控制。其结构框图如图1所示。

电池管理系统采用中央控制单元(CECU)和本地智能采集单元(LECU)两级结构，本地智能采集单元主要完成电池信息和状态检测，包括电压、电流、温度、充放电状态等的检测；中央控制单元完成数据的处理、SOC计算、逻辑判断和相应的控制。CECU和LECU的数据传输通过CAN总线通信，实现系统的集中管理与分布控制，方便电池在车上的分散布置，减少线束，提高系统的可靠性。

2 系统硬件设计
2．1 单体电池电压测量
单体电池电压测量的基本原理是采用分时测量的方法，把串联电压统一连接到检测总线A、B上。测量时，不同的时刻检测总线A、B分别连接在串联电池组中某一个单体电池的两端，这样，当按照一定的时间策略扫描时，就能让串联电池组中每一个单体电池的电压都能在检测总线A、B之间依次出现一次，起到把单体电池电压剥离出串联电池组的目的。具体实现是采用一组由n+1个开关组成的开关阵(n为串联电池数)，开关阵与串联电池组的连接见图2，连接的原则是单号开关的一端依次接奇数号电池的负极，另一端接检测总线A点，双号开关的一端依次接偶数电池的负极，另一端接检测总线B点。

开关阵每次导通两个，次序为：K1K2、K2K3、…KiKi+1、…Kn-1Kn、KnKn+1，通过这种每次只导通相邻两个开关的策略可以将单体电池电压从串联结构中分离出来，送到检测总线A、B之间。当第i和i+1开关导通时，A、B上的电压分别为：

显然，A、B之间形成了一对双端差模信号，该信号含有很高的共模信号。为了把检测总线A、B之间的双端差分电压信号转换成对地的单端电压信号，同时消除单体电池差分电压中的共模信号。图1电路中采用运算放大器A1、电阻R1、R2、R3、R4构成一个差分放大器，取R1=R2 =R3=R4，该放大器的增益为1。这样，A、B之间的电压UAB为：

UAB经过跟随电路和绝对值电路后，被A／D转换电路采样，实现了电池电压的测量。
2．2 电流检测
电流采集采用闭环霍尔电流传感器。电动车额定工作电流为150A。为保证测量精度，电流传感器额定测量值为被测信号1-1．5倍较为合适，本文的霍尔电流传感器采用北京森社公司宇波模块CHB-200SF霍尔效应电流传感器。测量频率是0～100kHz，供电电压为正负15V，测量范围为0～200A，匝数比为1：2000，精度0．5％～1％，响应时间小于1 μs。其测量电路如图3所示。

传感器的输出电流经过采样电阻R5转换为电压