純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動力電池作為動力驅(qū)動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，有效預(yù)防電池組自燃，實現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警，為保障安全贏得時間。

筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計，測試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，今天首先聊一下第三篇章動力電池參數(shù)數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)估計。

圖1 電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

電池管理系統(tǒng)最基本的核心任務(wù)是對動力電池的狀態(tài)進行估計判斷，包括預(yù)測鋰離子電池SOC、SOH、SOP，從而有效的保護電池安全和延長鋰離子電池使用壽命。鋰離子狀態(tài)估計要分基于精確的電池數(shù)據(jù)采集。動力電池信息采樣如下：

圖2 動力電池數(shù)據(jù)采集種類

如圖2鋰離子動力電池數(shù)據(jù)采集包括基礎(chǔ)信息采樣，功能擴展采樣，電安全采樣等三大類信息。

單體電壓采集方法

圖3 單體電壓采集方法

如圖3是單體電壓采集方法，單體電壓采集難點：高共模電壓，高精度要求，高采樣速率要求和高可靠性。單體電壓采樣精度在+/-0.5%，單體電壓采樣+/-2mv，溫度采樣+/-1℃。

常用到的方法隔離運放采集法。

單體溫度采集方法

如圖4 電池溫度采集方法，電池溫度采集方法需要注意以下兩點：

● 高溫區(qū)的分辨率問題，

● NTC絕緣破壞后對系統(tǒng)的影響。

圖4 電池溫度采集方法

如圖5是目前市面上各個芯片廠提供溫度和電壓采集精度和通道數(shù)量。

圖5 各大主流集成器件方案參數(shù)對比

電池電流采集方法

如圖6是目前主機廠采用電流采集方法，目前分流器方法應(yīng)用的較為廣泛。主要原理是通過采集分流器電阻兩端的電壓，通過計算已知阻值，進行電路電流大小的判斷。因此分流器方法會消耗一部分能量，對電池能量存在一定的消耗。由于串聯(lián)在主回路上，需要注意電氣隔離的設(shè)計。

圖6 主機廠采用電流采集方法

電池的高壓測量

隨著電動汽車電池組電壓的不斷提升，其總電壓普遍在300V至1000V 之間，控制器的只能通過傳感器間接采集。常用的采集總電壓的方法大致分為4種：

● 分壓法

對總電壓進行電阻分壓，降低電壓后利用AD采集電路直接采集，由于電阻直接連入電池組正負極，需要考慮電氣隔離，也由于電阻發(fā)熱產(chǎn)生精度以及漂移問題，因此這種方法的采樣精度較低，而且為保證安全必須實現(xiàn)隔離。

● 差分比例電路法

該方法通過差分比例電路對總電壓進行線性縮小并采樣，采樣信號會由于電路元件的對稱性問題引發(fā)共模干擾，影響測量精度。

● 電壓傳感器法

該方法采用霍爾式電壓傳感器對總電壓進行隔離采集，使用時霍爾電壓傳感器通過采樣電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，由于采樣回路中漏電流的存在，同時信號轉(zhuǎn)換的精度也對采樣結(jié)果有影響。

● 單體電池電壓累加法

BMS 中必須采集每塊電池單體的電壓，利用單體累加方法簡單易行，但是由于每塊單體電壓采集都會存在誤差，在電池電壓的累加后，難免會累計更大誤差。單體電池電壓數(shù)據(jù)的干擾可以通過選擇更優(yōu)的采集電路降低，但累加誤差仍然是不能忽視的問題，而且由于電池單體采樣時間問題，獲得總電壓的實時性較差。

總結(jié)

1.由于電動汽車工況復(fù)雜，來自電機、DC/DC 轉(zhuǎn)換器等大功率設(shè)備的干擾會讓高精度采集電路的設(shè)計變得更加困難。因此在考慮成本和效率的情況下，單體電壓溫度和電流電壓的采集方法的單獨使用無法讓 BMS 取得精確的高壓采集數(shù)據(jù)，因此在設(shè)計過程中需要考慮綜合使用。

2.在獲取單體電池信息狀態(tài)之后，需要建立了包含電壓、SOC 和單體峰值電流的多約束條件的多采樣間隔持續(xù)峰值功率數(shù)學(xué)模型，要考慮實現(xiàn)電池狀態(tài)SOC/SOP/SOE/SOH的聯(lián)合估計。