大学生电动方程式赛车设计的电池管理系统功能

电池管理系统的功能可分为测量功能、核心算法和应用功能，如图9－42所示。

图9－41　BSW基础软件层

图9－42　BMS功能

1.测量功能

测量功能主要包含模组的电压采样和温度采样、电池包的总电压采样和总电流采样、高压互锁检测、绝缘检测。测量功能实时监控着电池的基本状态，是BMS所有功能的基础，离开了这些测量，BMS的所有核心算法、应用功能都难以执行。

2.核心算法

核心算法主要包含电池荷电状态估计（State of Charge，SOC）、电池健康状态估计（State of Health，SOH）、电池功率状态估计（State of Power，SOP）、电池均衡算法。(www.xing528.com)

（1）电池荷电状态指当前电池容量和额定容量的比值，准确估计SOC可以防止锂电池过充电或者过放电，有效延长电池使用寿命，并且可以在电动汽车行驶中预知可续航里程，也是大学生方程式赛事中所用到的最核心功能之一。典型的方法分为直接计算法、基于模型的方法和数据驱动的方法。安时积分法是最简单的直接计算方法。基于模型的方法首先需要选择电池模型，如等效电路模型和电化学模型，然后利用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和移动地平线估计等多种估计技术来完成估计过程。数据驱动的方法将电池视为黑匣子，不需建立电池模型，但对电池的历史数据质量和数量有较高的需求，常用的算法有神经网络、支持向量机、高斯过程等。

（3）电池功率状态是用来表征电池在一段时间内的峰值功率，在加速、再生制动、梯度爬坡过程中，对功率状态进行准确估计，在可以保证电池安全的前提下，实现整车动力性能的最佳匹配，达到整车控制的最优化。目前SOP的估计方法可以分为3类，即插值法、基于参数模型法、基于数据驱动的非参数模型法，如图9－43所示。SOP在大学生方程式赛事中还没有得到广泛关注，但针对赛车竞赛的复杂工况和高频变化的电池输出功率，进行SOP的准确估计，对于保障电池安全性能、延缓电池老化具有理论意义。车队可以根据动态赛事中的电池SOP进行分析，在电池选型和动力匹配方面进行相应的优化工作。

图9－43　SOP估计方法分类

（4）均衡功能是针对电池使用过程中出现的电压、容量不一致性问题，通过电池管理系统进行均衡，分为主动均衡和被动均衡两种方法。主动均衡是以电量转移的方式进行均衡，将电压高的电芯单体电量转移至低电压电芯单体，均衡效率高，但目前市场上很多主动均衡技术并不成熟，大多采用变压原理，依托于昂贵的芯片和变压器等周边零部件，成本较高，结构复杂，应用在BMS上较少。被动均衡一般通过放电的形式，将电压较高的电池进行放电，以热量形式释放电量实现均衡作用。被动均衡的优点是成本低和电路设计简单，因此大多BMS配备的是被动均衡功能。缺点是以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电车容量，导致均衡电量100%以热量形式被浪费。

3.应用功能

应用功能主要包含高压上下电与低压上下电、交流充电和直流充电、电池热管理系统和电池系统故障诊断。

高压上下电和低压上下电需要其他控制器，如VCU和BMS配合来实现。BMS完成高压上电后，才能向整车高压负载供电或进行充电。交流充电和直流充电是指通过充电桩、充电机等为电池进行充电，充电功能有相关的国家规定。电池热管理是保证电池处在一个合理的温度范围，保证充、放电功能处于最佳状态。故障诊断主要针对电池安全，包括过压欠压保护、过流保护、继电器粘连检测、电池压差保护等功能，将故障按类型进行分级，不同等级的故障进行不同响应。