電池管理系統(tǒng)均衡策略測(cè)試方法

楊法松，吉 祥，曾國(guó)建，占禮葵

（1.安徽銳能科技有限公司，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)院 合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院，安徽 合肥 230009）

能源大量耗費(fèi)與環(huán)境污染是本世紀(jì)的兩大難題。為了減輕能源和環(huán)境污染的負(fù)擔(dān)，我國(guó)大力發(fā)展新能源汽車，其中主要就是發(fā)展電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車的三個(gè)核心部分中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）可以說(shuō)是三個(gè)核心中最重要的部分。電池均衡管理是通過(guò)控制單體電池之間電壓差在很小數(shù)值的方式，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)電池組整體壽命。因此電池的均衡邏輯成為當(dāng)前BMS研究的重要組成部分。

很多工程師針對(duì)電池的均衡策略進(jìn)行研究，胡浪、喬俊叁在充電模式下鋰離子電池組主動(dòng)均衡控制方法研究中提出充電模式下基于雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主電路主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)；張人杰、李聰在鋰電池組新型分層均衡控制策略中設(shè)計(jì)提出了一種新型均衡控制策略，該控制策略把電池組分為2層，分別為底層和頂層,底層和頂層使用不同的控制策略，且底層和頂層控制策略是相互獨(dú)立的。底層為多電平橋臂電路和單體電池并聯(lián)的方式，頂層是以電感作為能量轉(zhuǎn)移載體的均衡方式。賈佳鵬、吳文金、胡志冬在電池組均衡電路的真正作用及新方法中提出一種由大電流開(kāi)關(guān)器件逐個(gè)切除已放電完畢的衰減單體的電路結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單高效、低成本的特點(diǎn)。

由此，BMS均衡邏輯的測(cè)試成為驗(yàn)證這些策略是否實(shí)現(xiàn)邏輯功能的必要手段。

1 BMS均衡測(cè)試方案

本文為了詳細(xì)闡述均衡邏輯的測(cè)試方法，在此選擇當(dāng)前比較流行的被動(dòng)均衡邏輯為測(cè)試對(duì)象。

1.1 均衡策略

BMS采用被動(dòng)式均衡方案，通過(guò)功率電阻釋放容量偏高的電池電量。硬件設(shè)計(jì)方面，板上每個(gè)均衡回路上共有4個(gè)30 Ω，0.25 W的功率電阻以及2個(gè)1 Ω，0.25 W的防浪涌電阻，回路等效均衡電阻為32 Ω，均衡電流峰值可達(dá)100 mA，實(shí)際使用過(guò)程中通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（Pulse With Modulation, PWM）控制技術(shù)使均衡電流控制在30 mA～50 mA。均衡金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）為MAX17823片內(nèi)集成 MOS（MOSFET），具備 MOS短路故障診斷功能，均衡的開(kāi)啟采用奇偶開(kāi)啟方式，每12 s單體最多開(kāi)啟6 s。

充電均衡，當(dāng)單體電壓大于3.5 V時(shí)，開(kāi)始更新單體電池均衡信息，超過(guò)3.5 V且高于平均電壓的電池被記錄在帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable read only memory,EEPROM）中，并且根據(jù)單體電壓與平均電壓的差大于0.3 V開(kāi)啟均衡。放電階段均衡，在放電階段，導(dǎo)入被存儲(chǔ)在EEPROM中的均衡電池信息，結(jié)合靜置上電后的均衡信息，單體荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）低于平均SOC的不需要再均衡，高于平均SOC的單體電池開(kāi)啟均衡。均衡關(guān)閉條件為：

1.單體電壓低于3.2 V時(shí)，對(duì)應(yīng)電池均衡關(guān)閉；

2.單體電壓低于平均電壓值，對(duì)應(yīng)電池均衡關(guān)閉；

3.均衡板溫度高于65 ℃，對(duì)應(yīng)電池管理單元（Battery Management Unit, BMU）的均衡功能關(guān)閉；

4.檢測(cè)到 BMS硬件故障（含 BMU/內(nèi)網(wǎng)通信故障）時(shí)，則所有均衡功能關(guān)閉；

5.單次連續(xù)均衡的時(shí)間超過(guò)3小時(shí)，則暫停均衡；

6.整車供電電壓低于9 V時(shí)，暫停均衡。

1.2 均衡測(cè)試方法總體框架

為了實(shí)現(xiàn)電池均衡功能的觸發(fā)，必須給BMS一個(gè)完整的工作環(huán)境，本方案采用硬件在環(huán)（Hardware In the Loop, HIL）測(cè)試機(jī)柜給BMS搭建工作所需的硬件和總線閉環(huán)的工作環(huán)境。

如圖1所示，BMS控制器與下位機(jī)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線（Contrcller Area Neark, CAN）板卡、I/O板卡、電阻板卡、單體板卡相連；上位機(jī)控制下位機(jī)仿真CAN信號(hào)、I/O信號(hào)，電阻信號(hào)和單體電壓信號(hào)給BMS接收；上位機(jī)通過(guò)下位機(jī)采集BMS發(fā)出的總線信號(hào)；上位機(jī)控制程控電源給BMS和板卡供電。為了實(shí)現(xiàn) BMS正常工作，可以進(jìn)充電和放電，通過(guò)模型控制實(shí)現(xiàn)BMS的控制閉環(huán)，如圖2所示。

圖1 均衡測(cè)試方法總體框架

圖2 BMS控制閉環(huán)模型

模型Power Control模塊控制BMS所需的供電；BMS_IO模塊控制BMS所需的電子鎖、單體電壓、溫感、高壓信號(hào)給 BMS，同時(shí)采集 BMS控制的繼電器信號(hào)；BMS_CAN_BUS模塊仿真VCU、充電樁、MCU等模塊的總線報(bào)文，同時(shí)采集 BMS發(fā)送的總線報(bào)文；Model模塊實(shí)現(xiàn) BMS所需電氣環(huán)境和Soft ECU閉環(huán)。

1.3 BMS功能的實(shí)現(xiàn)

搭建完成的 BMS_HIL測(cè)試平臺(tái)需要驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)BMS的功能，然后才能測(cè)試驗(yàn)證均衡功能。圖3為BMS進(jìn)入放電功能時(shí)，主負(fù)、預(yù)充和主正繼電器吸合時(shí)序，可見(jiàn)在進(jìn)入放電過(guò)程中先吸合主負(fù)，然后吸合預(yù)充，當(dāng)預(yù)充吸合一段時(shí)間總壓穩(wěn)定，吸合主正斷開(kāi)預(yù)充繼電器，完成放電流程。

圖3 BMS進(jìn)入放電功能時(shí)序圖

圖4為BMS進(jìn)入充電功能時(shí)，控制和繼電器響應(yīng)時(shí)序，可見(jiàn)在觸發(fā)充電過(guò)程中先吸合主負(fù)，然后吸合慢充繼電器，完成充電流程。

圖4 BMS進(jìn)入充電功能時(shí)序圖

2 BMS均衡邏輯測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)被動(dòng)均衡邏輯，編寫被動(dòng)均衡測(cè)試用例見(jiàn)表1，然后根據(jù)表1的測(cè)試用例執(zhí)行測(cè)試，驗(yàn)證均衡邏輯。

表1 被動(dòng)均衡測(cè)試用例

根據(jù)測(cè)試用例，針對(duì)BMS的被動(dòng)均衡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)單體1單體電壓3.53 V時(shí)，與其他單體電壓壓差達(dá)到0.3 V時(shí)進(jìn)入充電；單體 1開(kāi)啟均衡；可以看到均衡電流44 mA左右；可以驗(yàn)證均衡開(kāi)啟條件和均衡電流是否符合要求。

圖5 被動(dòng)均衡條件測(cè)試結(jié)果

進(jìn)入均衡后，將開(kāi)啟均衡的單體電壓降低，使與平均單體電壓小于0.3 V，如圖6所示。開(kāi)啟均衡的單體關(guān)閉均衡，均衡電流降低到10 mA。

圖6 被動(dòng)均衡控制測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了當(dāng)前新能源發(fā)展和主流的電池均衡研究方向，以此開(kāi)展開(kāi)研究，選取一種均衡策略進(jìn)行研究測(cè)試方法。通過(guò)制定測(cè)試方案和編寫測(cè)試用例，進(jìn)而對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)均衡邏輯的測(cè)試驗(yàn)證。后期可以完善測(cè)試用例和工程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他均衡方向邏輯的測(cè)試驗(yàn)證，因此具有較好的理論價(jià)值和實(shí)際意義。