电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势
一、前言
目前，影响电动汽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，为此，国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。例如，日本青森工业研究中心从1997年开始至今，仍在持续进行（BMS）实际应用的研究[1]；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测[2]；丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。
我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统和DC/DC变换器等一大批相关课题。
二、BMS的基本结构
BMS的主要工作原理可简单归纳为:数据采集电路首先采集电池状态信息数据，再由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。基于上述原理，美国托莱多大学提出一个典型的BMS基本结构框图（图1）[3]。这个典型的系统把BMS简化划分为1个ECU和1个均衡电池之间电荷水平的均衡器（EQU）两大部分。其中ECU的任务主要由4个功能组成:数据采集、数据处理、数据传送和控制。ECU也控制均衡器、车载充电器等电池维护设备。
２００２年８月 农机化研究 第３期
国内外蓄电池监测系统的现状及发展趋势
张晓冬
（哈尔滨市商业银行科技中心，黑龙江哈尔滨 １５００７６）
【摘 要】蓄电池监测系统，主要是对单电池电压的监测。在解决如何测量电池组中串联在一起的单电池 电压问题上，国内进行了大量的研究工作。国外对ＢＭＳ蓄电池监测系统的研究和开发比较早，技术也比较
成熟，并且在ＢＭＳ基础上发展研究了ＶＭＳ。为此，介绍了国内外蓄电池监测系统的现状及发展趋势。 【关键词】蓄电池；监测；电压；温度；电流
【中图分类号】ＴＭ９１２．１ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】１００３—１８８Ｘ（２００２）０３—００１８－０２
蓄电池作为直流备用电源，对系统的安全可靠 运行有非常重要的作用。为避免蓄电池在长期使用
中因质量问题出现故障而引发事故带来经济损失， 需对蓄电池进行实时在线监测。
１ 国内蓄电池监测系统现状
随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机 在智能化控制方面的应用，以及在变电站综合自动
化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化监 测问题也提到日程上来。近几年以来，很多人开始 研究蓄电池的自动化监测。
蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压
的监测。其中，关于温度和电流的测量都属常规测 量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压
的测量方法上，对单个电压量的测量方法非常简
单。其中，最关键的是如何测量电池组中串联在一 起的单电池电压。在解决如何测量单电池电压问题 上，人们进行了大量的研究工作。有人提出用继电
器来切换电池组中的每只电池。用触点式继电器切 换的缺点是：体积大、成本高、寿命短、速度慢，
且其电压值计算比较麻烦；有人提出另外一种方 法：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选
通，在模拟信号的转换上采用可编程定时器的Ｖ／Ｆ
转换器。其中，在解决输入信号电压高于芯片的最
大工作电压的问题上存在技术难点，且采用Ｖ／Ｆ转 换作为Ａ／Ｄ转换器。其缺点是响应速度慢、在小信
电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势
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一、前言
目前，影响电动汽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，为此，国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。例如，日本青森工业研究中心从1997年开始至今，仍在持续进行（BMS）实际应用的研究；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。
我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统和DC/DC变换器等一大批相关课题。
二、BMS的基本结构
BMS的主要工作原理可简单归纳为:数据采集电路首先采集电池状态信息数据，再由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。基于上述原理，美国托莱多大学提出一个典型的BMS基本结构框图（图1）[3]。这个典型的系统把BMS简化划分为1个ECU和1个均衡电池之间电荷水平的均衡器（EQU）两大部分。其中ECU的任务主要由4个功能组成:数据采集、数据处理、数据传送和控制。ECU也控制均衡器、车载充电器等电池维护设备。
基金项目：国家自然科学基金（61034007，60874016，5097-7054）；山东大学自主创新基金（2010JC003，2011DX007）定稿日期：2011-08-15作者简介：符晓玲（1977-），女，新疆人，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动、电动汽车控制。1引言能源危机和环境污染是当今世界各国面临的两大难题[1]。电动汽车具有节能、环保的优点，成为未来汽车发展的必然趋势。众所周知，车载动力电池不仅是制约电动汽车规模发展的技术瓶颈，而且是电动汽车价格居高不下的关键因素，其成本占整车成本的30%～50%。因此，动力BMS的性能对电动汽车使用成本、节能和安全性至关重要。BMS监测电池的电压、充放电电流和电池组温度，能够估测电池的SOC，控制电池充放电均衡，对电池组进行热管理并且与车载监控系统、充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电，使电池处于最佳工作状态，充分发挥电池的功能，延长电池使用寿命。BMS作为电动汽车最关键的零部件之一，近年来已经有了很大提高，但在采集数据的可靠性、SOC的估计精度、均衡技术和安全管理等方面都有待进一步改进和提高[2-3]。2电池管理系统的研究现状2.1国外进展国外较典型的BMS及功能特点如下[4]：①EV1BMS的功能和特点包括：单电池的电压监测；分流采集电池组的电流；过放电报警系统；高压断电保护；电量里程预算等；②SmartGuard系统的主要特征是采用分布式的方式采集电池的温度和电压。主要功能包括：自动过充电监控；记录电池历史数据；提供最差单体电池的信息等；③BatOpt系统是一个分布式系统，包括中心控制单元（MCU）和监控模块。监控模块通过twowire总线，向MCU传输每个电池工作信息，MCU在收集信息后，对电池进行优化控制；④BADICOaCH系统的主要特点：使用一非线性电路来测量每个电池单元的电压，并通过一条信号线将各个单体电池电压传输给系统；显示最差单体电池的SOC；存储历史充放电周期的数据，并且通过这些数据判断电池的工作状况，快速检索电池错误使用情况等；⑤BATTNIANBMS强调不同型号动力电池组管理电动汽车电池管理系统研究现状及发展趋势符晓玲1，2，商云龙1，崔纳新1（1.山东大学，控制科学与工程学院，山东济南250061；2.昌吉学院，物理系，新疆昌吉831100）摘要：电池管理系统（BMS）监测动力电池的各种状态，具有荷电状态（SOC）估计、电池均衡、热管理和CAN通讯等功能，是电动汽车关键零部件之一。在此回顾了BMS的国内外研究现状并且论述了其总体结构、动力电池SOC估计方法、电池均衡技术和电池热管理技术。最后，展望了BMS未来发展趋势。关键词：电动汽车；电池管理系统；荷电状态估计；热管理中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1000-100X（2011）12-0027-04ResearchandDevelopmentTrendonBatteryManagementSystemforEVFUXiao-ling1，2，SHANGYun-long1，CUINa-xin1（1.ShandongUniversity，Jinan250061，China）Abstract：Batterymanagementsystem（BMS）monitorsvariousstatesofpowerbatteryinrealtime，hasfunctionsofstateofcharge（SOC）estimation，batteryequalization，thermalmanagement，CANcommunicationandsoon，andservesasoneofthekeycomponentsandpartsoftheelectricvehicle.ThepresentresearchessituationofhomeandabroadisreviewedandthegeneralstructureofBMS，SOCestimationmethodsofpowerbattery，batteryequalizationtechnologyandbatterythermalmanagementtechnologyarediscussed.Finally，thefuturedevelopmenttrendofBMSisprospected.Keywords：electronicvehicle；batterymanagementsystem；stateofchargeestimation；thermalmanagementFoundationProject：SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.61034007，60874016，50977054）；ShandongUniversityInnovationFund（No.2010JC003，2011DX007）第45卷第12期2011年12月Vol.45，No.12December2011电力电子技术PowerElectronics27第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsVol.45，No.12December2011的通用性，其最大特点是：通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的方法，来管理不同型号的电池组。2.2国内进展我国在“十五”期间设立电动汽车重大研究项目，积极推进BMS研究、开发和工程化应用，取得了一系列的成果和突破，与国外水平较为接近。目前主要是一些高校依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同进行了如下研究：①电池动态参数采集的稳定性和精度的提高；②车载电池SOC的估测；③电池模型的研究；④电池组均衡控制的研究；⑤BMS与充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电；⑥车载电池组箱体空间和机械结构设计及合理的散热控制；⑦电池故障分析与在线报警、BMS自检及处理。3电池管理系统关键技术3.1电池管理系统的组成BMS无论在车辆运行还是充电过程中，都要可靠地完成电池状态的实时监测和故障诊断，并通过总线的方式告知车载监控系统或充电机，以便采用更合理的控制策略，达到高效使用电池的目的。BMS主要功能包括：①电压、电流、温度检测；②SOC估计；③充放电控制；④均衡控制；⑤热管理；⑥安全管理；⑦CAN通信等[5]。BMS的总体框图如图1所示[6]。3.2动力电池荷电状态估计方法目前，国内外在SOC估计方面进行了大量研究，主要的估计方法有：（1）安时积分法安时积分法是最常用的一种估计方法。设定电池的初始SOC值为SOC0，那么当前的SOC值为[7]：SOC=SOC0-1Ctt0乙ηIdτ（1）式中：Ct为电池的额定容量；η为充放电效率；I为电池的充放电电流。使用安时积分法估算SOC时，存在累积误差，且随着时间推移会逐渐增大，难以消除。因此，在实际应用中，常将它与其他方法结合来估算SOC。（2）开路电压法电池的开路电压在数值上近似等于电池的电动势。铅酸电池的电动势是电解液浓度的函数，电解液密度随着电池的放电成比例降低，可用于估计电池SOC；MH/Ni电池和锂离子电池的开路电压与SOC的线性度不如铅酸电池好，但也可近似估计电池的SOC，尤其在电池充放电的初期和末期效果较好，可与安时积分法结合使用。因为开路电压法需要电池经过长时间的静置，所以该方法仅适用于驻车状态。（3）内阻法电池的内阻分为直流内阻和交流内阻两种，它们与SOC均有密切关系。直流内阻表示电池内在经过直流电时所表现出的反抗能力，是在很短的时间内，电池电压变化量与电流变化量的比值。交流内阻是电池电压与电流的传递函数，表示电池在经过交流电时表现的反抗能力，需要用到交流阻抗仪来测量。而且交流内阻受温度的影响较大，很少应用在实车上。内阻法主要适用于长时间放电后的电池SOC估计，可与安时积分法组合使用。（4）线性模型法由CEhret[8]提出的线性模型法以SOC变化量、电压、电流和前一时间点的SOC为基础，建立线性方程：ΔSOC（k）=β0+β1U（k）+β2I（k）+β3SOC（k-1）SOC（k）=SOC（k-1）+ΔSOC（k乙）（2）式中：ΔSOC（k）为SOC变化量；U，I为当前电压、电流值；β0～β3为由最小二乘法得到的系数。这种模型适用于电流较小、SOC变化速度较慢的情况，对测量误差和错误的初始条件，有很高的鲁棒性。（5）神经网络法由于电池高度的非线性特性以及复杂的内部电化学反应，很难建立准确的数学模型。而神经网络具有并行结构及学习能力，可以逼近非线性特性，可模拟出电池的动态特性[9]。神经网络在选取适当数据的情况下，可以很好地估计出电池的SOC，并且适用于多种电池。（6）Kalman滤波法Kalman滤波法应用于电池SOC估计时，电池模型由状态方程和测量方程组成[10]，SOC为系统状态Xk的分量。控制输入uk中包含电流、温度等参数，系统输出yk为电池模型计算的负载电压。系统噪声wk、测量噪声vk均为Gauss型白噪声，协方差分别为Q和R。Kalman滤波法适用于电流变化较快的情况。图2为Kalman滤波结构图[11]。Ak为系统矩阵；Bk为控制输入矩阵；Ck为量测矩阵。图2Kalman滤波结构图第45卷第12期2011年12月电力电子技术PowerElectronicsVol.45，No.12December2011图如图8所示。(上接第30页）IndustryApplications，1997，2（23-27）：848-854.[14]SWMoore，PJSchneider.AReviewofCellEqualiza-tionMethodsforLithiumIonandLithiumPolymerBat-terySystems[C].inProc.SAE2001WorldCongress，De-troit，MI，3，2001.[15]安东尼·所左曼诺夫斯基（波）.混合动力城市公交车系统设计[M].北京：北京理工大学出版社，2007.[16]付正阳，林成涛，陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术[J].公路交通科技，2005，22（3）：119-123.[17]AhmadAPesaran.BatteryThermalManagementinEVsandHEVs：issuesandSolutions[A].AdvancedAutomotiveBatteryConference[C].2001.[18]MSWu，YYWang，CCWan.ThermalBehaviorofNickel/metalHydrideBatteriesduringChargeandDis-charge[J].J.PowerSources，1998，74：203-204.[19]蔡群英.混合动力汽车用锂离子电池管理系统研制[D].北京：北京交通大学，2010.[20]黎林.纯电动汽车用锂电池管理系统的研究[D].北京:北京交通大学，2009.[21]姜久春.电池管理系统的概况和发展趋势[J].新材料产业，2007，（12）：40-43.[22]雷晶晶，李秋红，陈立宝，等.动力锂离子电池管理系统的研究进展[J].电源技术，2010，34（11）.[23]赵景焕，崔伯雄，常力，等.我国企业在电池管理系统的专利申请现状分析及技术创新思考[J].知识产权，2010，116（20）：37-41.4.23D-SVPWM实现四桥臂逆变器需8路PWM信号来控制。EVA的3个比较单元产生的6路PWM波形，加上EVB的一个比较单元产生的2路PWM波形，共产生8路PWM波形。设置调整使定时器T1和T3同步，这样即可产生8路同步PWM控制信号。5实验结果在一台基于DSP控制系统的IGBT三相半桥逆变器实验装置上对该方案进行了验证。实验中，输入三相市电经过调压器和不控整流提供母线电压。输出滤波电感为2mH，滤波电容是10μF，负载为0～700W的白炽灯；闭环控制中控制参数由实验所得；IGBT死区时间设置为3.2μs。实验波形如图8所示。图8a为空载、闭环控制下的A，B相输出电压波形；图8b为仅带一相负载、闭环控制下的A，B相输出电压波形；图8c为空载、开环控制下的A，B相输出电压波形；图8d为仅带一相负载、开环控制下的A，B相输出电压波形。通过波形可见采用开环控制，带不平衡负载时，输出波形严重不对称，A相带负载导致A相电压下降，其他两相电压上升（图中只显示了B相）。而采用了这里提出的控制策略，能平衡输出电压，而且输出电压基本上无畸变。从而证明了这里所提出控制方法的可行性和有效性。6结论详细分析了四桥臂逆变器拓扑结构和基于瞬时分量法的均压控制方法。实验结果证明了该方法的正确性和可行性。参考文献[1]IonelVechiu，OctavianCurea，HaritzaCamblong.Tran-sientOperationofaFour-LegInverterforAutonomousApplicationsWithUnbalancedLoad[J].IEEETrans.onPE，2010，25（2）：399-407.[2]MasoudKarimi-Ghartemani，HoushangKarimi.AnalysisofSymmetricalComponentsinTime-Domain[A].MWSCAS’05[C].2005，1：28-31.图7流程图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!四桥臂逆变器控制方法的研究89
