动力电池管理系统基本构成及功能

电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的复杂电气测控系统，也是车辆商品化、实用化的关键。电池管理的核心问题就是SOC的预估问题，在车辆电池操作窗中SOC的合理范围是30%～70%，这对保证电池寿命和整体的能量效率至关重要。车辆在运行时，电池的放电和充电均为脉冲工作模式，大的电流脉冲很可能会造成电池过充（超过80%SOC）、深放（小于20%SOC）甚至过放（小于0%SOC），因此车辆的控制系统一定要对电池的荷电状态敏感，并能够及时做出准确的调整，这样电池能量管理系统才能根据电池容量决定电池的充放电电流，从而实施有效控制。根据各电池单体容量的不同，识别电池组中各电池间的性能差异，并以此做出均衡充电控制和电池是否损坏的判断，确保电池组的整体性能良好，延长电池组的寿命。

准确可靠地获得电池SOC是电池管理系统中最基本和最首要的任务，在此基础上才能对车辆的用电进行管理，特别是防止电池的过充和过放。蓄电池的荷电状态是不能直接得到的，只能通过对电压、电流、电池内阻、温度等电池特性参数来推断。这些参数与SOC的关系为复杂的非线性关系。

电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路采集电池状态信息数据后，由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后电池管理系统根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递参数信息。

在功能上，电池能量管理系统主要包括：数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口。图4-21为电池管理系统功能图。

图4-21 某车辆动力电池管理系统的基本功能框图

（1）数据采集 电池管理系统的所有算法都是以采集的动力电池数据作为输入。采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。车辆电池管理系统的采样速率一般要求大于200Hz（50ms）。

（2）电池状态计算 电池状态计算包括电池组荷电状态和电池组健康状态两方面。SOC用来提示动力电池组剩余电量，是计算和估计车辆续驶里程的基础。SOH用来提示电池技术状态、预计可用寿命等健康状态的参数。

（3）能量管理 能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。

（4）安全管理 监视电池电压、电流、温度是否超过正常范围，防止电池组过充过放。现在在对电池组进行整组监控的同时，多数电池管理系统已经发展到对极端单体电池进行过充、过放、过温等安全状态管理。

（5）热管理 热管理系统的功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。在电池工作温度超高时进行冷却，低于适宜工作温度下限时进行电池加热，使电池处于适宜的工作温度范围内，并在电池工作过程中总保持电池单体间温度均衡。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理尤为必要。

（6）故障诊断与报警 当蓄电池电量或能量过低需要充电时，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，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。

（7）均衡控制 由于电池的一致性差异导致电池组的工作状态是由最差电池单体决定的，当电池之间有差异时，应该有一定措施进行补偿。在电池组各个电池之间设置均衡电路，实施均衡控制，以保证各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。

（8）通信功能 通过总线实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信，为充放电控制、整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。

（9）人机接口 根据设计的需要设置显示信息以及控制按键、旋钮等。(www.xing528.com)

某车辆动力电池管理系统的基本功能如图4-22所示。

图4-22 某车辆动力电池管理系统的基本功能框图

表4-8为动力电池管理系统的基本功能及描述。

表4-8 动力电池管理系统的基本功能及描述

（续）

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注：①大多数磷酸铁锂动力电池都支持短时间的过载放电，能在车辆起步、提速过程中提供较大的电流以满足动力性能的要求。但不同厂家、不同型号的动力电池所支持的过载电流倍率、过载持续时间都是不一致的。例如，某型号的动力电池支持不超过Imin的5C过载电流．这正是电池管理系统的过流保护功能所必须考虑的。

②制动能量回收也是能量控制管理的重要内容之一。例如，在某些混合动力车辆中．需要通过充放电控制管理把电池的荷电状态维持在60%-80%．以留出足够的电荷容量空间来接收来自于制动而回收的能量。这样做的另外一个原因就是使电池工作在等效内阻较小的区间内．从而使充放电的效率更高。

③以上五大类功能只是电池管理系统的基本功能。根据用户需求和车辆设计要求．设计者还可以加入单独的“热管理与控制”“通信失效识别”“故障诊断与处理”“漏电检测与防护”等功能，提升电池箱的安全可靠性。