[摘要] 電動汽車已經成為綠色車輛最主要的發展方向之一。但是制約電動汽車發展的問題依然是儲能電池和應用技術。研究電池管理技術及系統具有十分重要的意義。本文介紹了一種能夠較為準確估算SOC的鋰電池管理系統，重點介紹了該系統的SOC估算方法。該系統已經應用于一種大容量磷酸鐵鋰動力電池驅動的電動汽車上。

電池管理系統（batterymanagementsystem，BMS）是電動汽車的核心部件之一，主要作用是對蓄電池組進行安全監控及有效管理，以提高電池使用效率，延長電池使用壽命，降低運行成本，進一步提高電池組的可靠性。

電池管理系統的主要功能包括：電池狀態參數采集、電池安全狀態監控、電池荷電狀態（StateofCharge，SOC）估算與管理、電池故障診斷等，其中準確的SOC估算是電池管理系統的關鍵技術之一。

介紹了一種能夠較為準確估算SOC的電池管理系統，該系統主要應用于大容量磷酸鐵鋰動力電池驅動的電動汽車上，重點介紹了該系統的數據采集電路和SOC估算方法。

1 系統總體設計

由于本系統主要用于電動汽車上，采用車載平臺方式，并要求系統結構先進、合理、可擴展，參數測量精度高、EMC合格，功能完備、可靠性高，系統設計采用分布式結構和分散控制、集中管理的模式，按積木化設計各個功能模塊，主要由六個部分組成：集中控制器、數據采集板、通訊模塊、均衡模塊、車載顯示器、系統軟件模塊等。系統結構框圖見圖1。

集中控制器作為電池管理系統的核心部件，主要實現和數據采集板、整車控制器、充電機、車載顯示器、電機控制器等部件的通訊交互工作。數據采集板主要完成單體電池電壓和溫度的測量，將數據傳到內部通訊總線上，并直接負責對均衡單元發出接通和關閉分流電路的信號，同時接收集中控制器發來的組均衡控制信號。

通訊模塊采用內外三條子網，高速CAN1總線用于整車控制器及電機控制器的通訊，高速CAN2總線用于充電機的通信，內部通訊總線可以選用I2C、CAN、RS232、RS485等。

均衡模塊負責接收數據采集板傳送過來的控制信號，在適當的時候開啟分流裝置，調節充電電流，使電池組內電池更加均勻和一致。車載顯示器包括顯示控制板和顯示屏。

2 數據采集電路設計

車載動力電池組一般是由數十或數百鋰電池單體串聯組成，總電壓36V至800V。電源管理系統需要測量所有單體電池電壓、分組溫度和總電壓電流等信號，這些信號動態范圍大、共模電壓高、數量多，很容易被干擾。

另外，這些信號還是SOC估算、充放電均衡、過充過放保護判斷等功能的基礎，其精度直接影響SOC估算精度。所以數據采集是本系統設計的一項關鍵，必須要保證數據的準確性、可靠性、干擾性。

2.1 電壓采集電路設計

在蓄電池的端電壓測量方法上，對單個電壓量的測量方法非常簡單。但最關鍵的是如何測量電池組中串聯在一起的單電池電壓。

本系統采用差動放大調理加模擬開關的直接測量法，硬件電路如圖2所示。

信號調理電路由LM324 接成差動放大電路，開關采用CD4051B，其控制端由微處理器端口通過N溝道MOS管2N7002引入，電壓測量精度能夠達到±10mV。

此電路的優點在于響應速度快，抗干擾性強，能夠抑制溫漂，并且適合于高速頻繁測量，而且電路結構簡單，適合于電路板的小型化設計。

2.2 電流采集電路設計

電流是電池容量估計的關鍵參數，因此對其電流的采樣精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。本系統選用森社電子CHB-500SG的電流傳感器，測量范圍0～750A，精度達到0.5%，工作溫度0～+70℃。

電流測量電路如圖3所示，R1是采樣電阻，充電時電流傳感器在R1上電壓為+，經過運算放大器后，AD0為-，AD1為+；放電時R1上的電壓為-，AD0為+，AD1為-。通過判斷AD0和AD1的值，就可分辨電池的充電狀態或放電狀態。

2.3 溫度采集電路的設計

電池溫度是評估電池的SOC和判斷電池能否正常使用的關鍵性參數，電池的溫度直接影響電池的充電效率。通常，溫度高，充電效率高，但是如果電池溫度太高，就可能造成電池的永久破壞。

成組使用的電池，單體電池之間的溫度差異會造成充電、放電的不均衡，導致電池壽命明顯降低。本系統采用由美國DALLAS半導體公司生產的DS18B20型數字溫度傳感器進行溫度檢測。該傳感器是單片型結構，可以輸出9~12位的數字量，卻不需要外加A/D；測量精度可以達到±0.5℃。

通信采用單總線防議，對DS18B20的各種操作通過一條數據線即可完成，同時該數據線還可兼做電源線，具有連線簡單，設計靈活的特點，特別適合與單片機合用構成的溫度檢測與控制系統。

3 SOC估算方法

3.1 SOC概述

蓄電池的充電、放電過程是個復雜的電化學變化過程，蓄電池的電池容量會受到電池溫度、放電率、自放電率、充放電循環次數等多種因素的影響，所以，通過可以測量的電池參數對電池的容量狀態進行準確估計非常困難，在國內外都是一個難題。目前，一般采用電池的荷電狀態SOC作為電池容量狀態描述參數，其數值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值：

式中：QC———電池剩余容量；

Q0———電池標稱容量，電池標稱容量定義為在理想狀態下電池在規定電流和溫度時的所能放出的容量。

通常，我們將荷電狀態100%定義為電池在一定溫度下充電到不能再吸收能量的狀態，荷電狀態0%則定義為電池完全不能釋放能量的狀態。

實際上電池往往是串聯使用，其容量一般由組內品質最差的電池決定。這樣，在實際使用中，我們認為串聯電池組的容量就由放電容量最小的那只電池決定。

目前，制約電動車實用化、商品化的因素之一就是精確判定蓄電池在不同工作狀態下的荷電狀態，因此國內外對荷電狀態的研究也一直是個熱點，對SOC的估算方法比較常見有開路電壓測量法、安時積分法、測量內阻法、數學建模法、模糊推理和神經網絡的方法等。其中，模糊推理和神經網絡的方法是未來的發展方向，但是太復雜。

3.2 系統采用的SOC估算方法

本系統綜合試驗數據和總體指標要求，采用了安時積分法和開路電壓測量法相結合的SOC估算方案。基本的思路就是，先將不同狀態下不同電流的放電電量等效成特定電流下的放電量，用安時積分法來計算工作狀態中的鋰電池剩余容量；然后利用上電時的開路電壓進行補償。

采用安時積分法，計算的工作狀態中的鋰電池等效放電電量公式如下：

式中：t———放電時間；

λ———不同狀態的系數；

i———放電電流。

式中：Q0———以規定電流恒流放電時電池具有的容量。

然后進行補償計算。對電池的補償計算需要我們事先對電池有較深的先驗性認識。

通過前期對電池的大量試驗和數據分析，能夠得出一些經驗模型，這樣的話，可以在系統每次上電時根據斷電的時間和上電開路電壓對SOC進行適當修正。

鋰離子電池在充放電過程中的端電壓變化大，難以測量和用來估算SOC，但是在電池靜止后，端電壓會逐漸穩定，與容量的關系也是明確的。

于是，我們將將電池的停放時間t作為參數，在電池停放前的容量SOC0與電池穩定后其端電壓所表征的容量SOC1做如下加權：

式中：T———電池端電壓趨于穩定所需的時間；t———電池在兩次使用中間隔的停放時間；SOC0———電池停放前的剩余容量；SOC1———電池端電壓穩定后的剩余容量。雖然理論上T是一個無窮長的時間。但實際使用時可以將端電壓變化率小于一定值時的端電壓當成穩定的端電壓，此時的容量SOC可由電池供應商的電池參數來確定。

4 試驗結果

經過調試和校準后，對系統進行了全面的測試，特別對本系統所測試的某型磷酸鐵鋰動力電池進行了SOC估算的測試驗證，結果能夠滿足要求。以SE100AH磷酸鐵鋰動力電池為例，其SOC開路電壓曲線如圖4所示，規定0.3C恒流放電至2.5V時SOC為0。

對1只SE100AH鋰電池進行試驗，驗證本節提出的SOC估算方案。為加快放電速度，首先將充滿電的鋰電池以1C的恒定電流放電至3.0V，再以0.3C的恒定電流放電至3.0V，之后使鋰電池處于開路狀態1小時，該鋰電池的端電壓、放電電流及放電電量隨時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，該電池放電電量為89.96Ah，擱置1小時后端電壓回升到3.1V；由圖4可知開路電壓3.1V對應的剩余電量為10.65%。同時，規定電池端電壓穩定所需時間為8小時。

則SOC0=（100Ah-89.96Ah）/100Ah100%=10.04%；

SOC1=10.65%；T=8；t=1。

將上述數值代入SOC加權計算公式可得：

即該電池剩余電量為10.12%。由于該電池為剛出廠的新電池，因此由本節提出的SOC估算方案計算的剩余電量基本上與安時積分法得到的相同。

5 結論

本文介紹的這套電池管理系統經過了性能試驗、整車調試及500公里的實際運行，整個過程中系統運行基本正常，各項功能達到了技術指標要求。本系統所采用的安時積分法和開路電壓測量法相結合的SOC估算方法，簡單實用，易于實現，較為準確。但是由于受到電池自放電和充放電等因素影響，SOC估計值的誤差會逐步積累，需要進一步進行試驗建立更加準確可靠的SOC模型。（陳方國　趙志偉　中國空空特種研究院，河南洛陽471009）