高可靠智能型兩/三輪車換電式動力鋰電池管理系統設計

吉祥，許楊，曾國建

（安徽銳能科技有限公司，安徽合肥， 230009）

0 引言

近年來，隨著“互聯網+”和共享經濟的快速崛起，共享經濟的發展如火如荼，共享電動自動車作為其中重要的組成部分對居民的觀念和生活產生了深遠的影響，高效、節能、綠色、環保的共享出行已演變為居民交通的重要方式之一[1]。此外，數據顯示截至2021年底，我國外賣用戶規模已達到5.44億，約為我國網民數量的一半，并且規模還在持續不斷上升，巨大的需求對于外賣配送的效率提出了極高的要求。截至2020年我國郵政全行業業務總量為21053.2億元，“十三五”期間的年均增速高達29.9%[2]。疫情期間，我國網上實物商品零售仍保持正增長，同時，直播帶貨等新型銷售業態的快速發展，預計在“十四五”期間，我國快遞業務量仍將保持25%～35%的增長速度。

隨著快遞、外賣、共享出行等行業的快速發展，電動二/三輪車行業業務發展迅速。2018年12月，GB/T36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》正式發布[3]，2019年4月，《GB 17761-2018 電動自行車安全技術規范》（即電動自行車新國標）正式實施，電動自行車鋰電池淘汰鉛酸電池的進程正式拉開帷幕。換電式電動二/三輪車具備使用成本低、“無限”續航等獨特的技術優勢，可以滿足快遞、外賣、共享出行等行業高周轉率的要求，因此得到了快速發展，成為上述行業首選的交通工具與運行模式。

在電動二/三輪車動力電池換電業務中，電池系統及其管理是其核心動力來源和控制模塊[4]。國內外對于動力鋰電池管理系統的研究，多面向單件價值高的道路汽車產品，少有研究系統性的關注小型二/三輪車用換電動力鋰電池管理系統應用問題[5]。為此，本文根據快遞、外賣、共享出行等行業的特點，提出并設計了適合電動二/三輪車換電動力鋰電池技術需求的電池管理系統方案，為上述行業提供了高可靠、智能化的電池管理系統。

1 電池管理系統硬件設計

電動二/三輪車換電式動力鋰電池管理系統的硬件架構如圖1所示，主要包括微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、電源模塊、模擬前端（Analog Front End，AFE）、均衡電路、充放電及預充電路、溫度及電流檢測電路、通訊模塊及接口、實時時鐘（Real Time Clock，RTC）、電池正負極接口、輸出正負極接口、DET接口等，各模塊功能說明如下：

圖1 電動二/三輪車換電式動力鋰電池管理系統硬件架構圖

(1) 微控制單元

電池管理系統的核心控制模塊，用于電池荷電狀態（State of Charge, SOC）、能量狀態（State of Energy,SOE）、健康狀態（State of Health, SOH）的在線估計與校準；接收并完成整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令，同時向VCU反饋鋰電池與BMS狀態信息；采集動力鋰電池各種狀態信號，完成電池系統的監測與保護功能。

(2) 電源模塊

主要包括DC-DC與低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator, LDO），用于電池管理系統中微控制單元、模擬前端芯片、通信芯片等供電，通常采用DC-DC將電池電壓降低12V，用于通信系統供電，再采用LDO轉換電壓至3.3V用于MCU與EEPROM等芯片的供電。

(3) 模擬前端

模擬前端芯片可以根據工作模式的不同，處于保護模式或者采集模式。其中保護模式主要是單獨使用該芯片，提供電池PACK的硬件保護功能，如電池的過充、過放、高溫、低溫、短路、斷線等保護。在本文的電動二/三輪車換電系統中，模擬前端芯片工作在采集模式，采集電芯的電壓、溫度及電流，配合MCU完成電池PACK的管理，同時為電池PACK提供硬件保護功能。

(4) 均衡電路

由于電池組生產過程與使用過程中難以避免的不一致性，通常需要在BMS中增加均衡電路消除不一致性引起的負面影響，以實現電池組的主動均衡或被動均衡。綜合考慮技術難度、實現成本與均衡性能，電動二/三輪車鋰電池管理系統多采用被動均衡方式，即可滿足產品的技術需求。

(5) 充放電及預充電路

充放電電路用于電池系統的充電與放電控制，預充電路用于電池PACK外部直流電容的預充電。電動二/三輪車BMS一般采用MOSFET作為充放電回路及預充回路的控制元件，并由AFE配合相應的MOSFET驅動電路，實現電池正端的充放電與預充控制。

(6) 通訊模塊及接口

實現與VCU之間的通訊，接收VCU發送的指令，并將電池系統狀態信息發送給VCU，同時也可以根據車輛運營維護方的需要提供統一的故障診斷服務，實現故障的診斷、復位與歷史記錄等功能，便于車輛運營維護方的售后維修保養，其中常用的協議有CAN、RS-485等。此外，為了實現車聯網等方面的功能，通常還需要配合4G或5G網絡通訊。

(7) 溫度及電流檢測電路

在動力鋰電池中，由于多個動力電池串聯使用，通常僅需要檢測串聯后的電池總電流，通過采集電池的充放電電流，來實現電池SOC、SOE與SOH的在線估計，因而電流檢測的精度與采樣頻率對于電池SOC的在線估計與系統安全性至關重要。此外，還需要采用NTC熱敏電阻對環境溫度、電池箱溫度等進行監測，實現對于電池運行過程中出現高低溫情況的安全保護，同時，在電池SOC估計中也應考慮溫度對其影響，提高電池SOC的估計精度。

(8) 實時時鐘

主要功能是為BMS提供精確的時間基準，并根據車輛的技術要求，定時喚醒BMS監測電池系統的狀態是否存在異常，同時可為歷史故障記錄功能提供參考時間，便于后期維護與故障分析。

(9) 輸出正負極接口與DET接口

輸出正負極接口是動力鋰電池系統的充放電接口，DET接口則用于判斷輸出正負極接口是否與車輛完好連接。

2 電池管理系統軟件設計

電動二/三輪車換電式動力鋰電池管理系統的軟件功能模塊如圖2所示，根據車輛的技術需求，將應用層劃分為狀態機、電池狀態估計、控制策略、通訊等功能模塊，各功能模塊說明如下：

圖2 電動二/三輪車換電式動力鋰電池管理系統的軟件功能模塊圖

(1) 狀態機模塊

狀態機模塊是BMS協調各種狀態與信號，實現系統邏輯控制的核心，BMS的狀態機根據VCU發送的指令、系統的狀態信息與檢測的輸入輸出信號，按照預先設定的工作狀態進行狀態轉移，完成BMS的充電與放電、休眠與喚醒控制流程，實現不同工況下的充放電控制，同時使BMS具備低功耗的技術優點。

(2) 電池狀態估計模塊

電池狀態估計模塊主要根據采集的充放電電流、電池溫度、電池電壓等信息，采用安時法并結合在線修正算法，實現精確的電池SOC、SOH與SOE估計，同時，根據電池的狀態信號，完成電池SOC等的在線校準，提升電池剩余電量指示的用戶體驗。

(3) 控制策略模塊

控制策略模塊涉及電池功率限制、電池均衡、故障診斷與保護功能。其中功率限制主要根據車輛的運行狀態、電池的狀態信息等，對電池PACK的峰值充放電電流、持續充放電電流進行限制，保證電池在不同的工況與電池性能約束條件下，提供相應的輸出能力。均衡模塊根據電池系統所處運行狀態、電池檢測電壓、電芯壓差等信息，實現電芯之間的快速均衡。故障診斷與保護模塊根據電池系統的狀態信息，完成電池PACK與電池單體的過充、過放、高溫、低溫、短路、斷線故障，充放電回路故障，通訊故障，輸出端短路故障等的在線診斷，并執行預先設定的保護策略，保證電池系統的安全可靠運行。

(4) 通訊模塊

通訊模塊主要功能是采用CAN或者RS-485協議，完成與VCU、云端服務器之間的交互通訊，同時具備售后人員所需對于電池系統的故障診斷與故障歷史記錄功能。

3 基于熱平衡的可充放電功率估計方法

兩/三輪車換電式動力鋰電池的功率狀態（State of Power，SOP）指的是電池正常工作情況下，接下來一段時間內的峰值放電或充電功率，其估計精度對于加速或起步工況下最大化輸出功率、充電工況下縮短充電時間和制動工況下最大化制動能量回收都具有重要的意義，直接影響車輛的安全可靠運行。但是，對于兩/三輪車換電式動力鋰電池系統來說，當其工作在大功率放電狀態時，由于電池容量低，放電電流大，此時電池端電壓劇烈下降，但SOC和溫度瞬間變化率較小，使得估計的可放電功率還是維持在較高水平，容易導致電池端電壓低于過放保護電壓，從而觸發放電保護，或者估計可放電功率斷崖式下降，使得車輛動力性能顯著降低，影響客戶體驗；反之，在電池充電時，由于電池容量低，充電電流大，此時電池端電壓劇烈上升，但SOC和溫度瞬間變化率較小，使得估計的可充電功率還是維持在較高水平，容易導致電池端電壓高于過充保護電壓，從而觸發充電保護，或者估計可充電功率斷崖式下降，回饋能量無法完全回收。

由于SOP與電池的SOC、溫度直接相關，因此通常基于電池當前SOC和溫度的二維SOP表進行可充放電功率的估計，但是，兩/三輪車換電式動力鋰電池系統可能存在連續峰值功率運行等復雜工況，因此，本文根據動力電池系統的發熱與散熱物理過程，提出了基于熱平衡的可充放電功率估計方法，以保證系統的安全可靠運行。

定義鋰離子動力電池系統的熱預算初值為

其中Hinitial_budget是動力電池系統的初始熱預算；Ipeak_limit和Icontinuous_limt分別是根據SOC與溫度查找SOP表所獲得的峰值限制電流與連續限制電流；Tprediction_window是熱預算預測時間窗口。

如果動力電池系統的工作電流超過連續限制電流Icontinuous_limt，則說明動力電池系統運行會額外產生更多的熱量，此時需要通過降低動力電池系統的熱預算降低系統的限制電流。

其中，Hbudget是系統的實時熱預算；Hpre_budget是系統上一采樣周期的實時熱預算，其初始值為Hinitial_budget；Tsampling_time是系統的采樣時間。

反之，若動力電池系統的工作電流低于連續限制電流Icontinuous_limt，則系統的熱預算應逐漸恢復，增加系統的限制電流。

由于實時熱預算與動力電池系統的SOP直接相關，因此，需要將其限制在零與熱預算初值之間。

最終獲得動力電池系統的允許輸出電流為：

假設某一運行工況下Ipeak_limit和Icontinuous_limt分別為21A與8.4A，Tprediction_window為120s，Tsampling_time為120ms，動力電池系統處于放電狀態，設定連續放電電流分別為16A至20A，在不對放電電流施加約束的情況下，不同連續放電電流與動力電池系統允許輸出電流關系如圖3所示。從圖中可以看出，動力電池系統以恒定電流放電，熱預算逐漸降低，允許輸出電流也逐漸降低，直至連續限制電流8.4A為止。同時，連續放電的電流越大，動力電池系統的熱預算下降速度越快，允許輸出電流達到連續限制電流的時間越短。

圖3 動力電池系統允許輸出電流與不同連續放電電流關系圖

在Matlab/Simulink中建立基于熱平衡的可充放電功率估計方法的軟件仿真模型，在不對放電電流施加約束的情況下，設定動力電池系統的輸出電流，獲得系統仿真的結果如圖4所示。從圖中可以看出，在完整運行工況中，當輸出電流超過連續限制電流時，熱預算降低，反之，當輸出電流低于連續電流限制時，熱預算增加。從160s至460s，輸出電流持續超過連續限制電流，熱預算不斷降低直至0%，此時，動力電池的允許輸出電流降低至8.4A。在460s后，隨著輸出電流持續低于連續限制電流，熱預算逐漸上升恢復到100%，動力電池的允許輸出電流變為21A。

圖4 基于熱平衡的可充放電功率估計方法仿真結果(輸出電流無約束)

在對放電電流施加約束的情況下，設定動力電池系統的輸出電流，獲得系統仿真的結果如圖5所示。通過與圖4對比發現，圖5中對系統輸出電流增加了峰值限制電流的約束，從160s至460s，輸出電流持續超過連續限制電流，由于熱預算不斷降低，峰值限制電流也不斷降低，并限制了動力電池系統的輸出電流。

圖5 基于熱平衡的可充放電功率估計方法仿真結果(輸出電流有約束)

4 工程應用的技術難點與建議

從目前哈啰、滴滴、中國鐵塔等共享電單車、快遞車輛百萬級投放運營的售后數據分析發現，由于共享和快遞車輛常年暴露于街頭巷尾，其工況極惡劣，存在電池系統嚴重濫用的情況，電池系統產品設計普遍存在系統總成設計防水性能差、電池成組耐振動性差、外殼材料易老化、電池SOC計量不準確、電池管理系統故障率高、電池系統質量缺陷問題頻發等問題。當前，在此領域中，其電池管理技術方面，則多使用無冗余安全保護設計的低成本保護板產品，其穩定性、可靠性以及SOC精準度較差；在電池成組技術方面，換電式電池系統需要更多關注本體的材料老化、防水、防塵、抗震、抗跌落等特性，同時應盡可能標準化和緊湊化，提升電池系統的性價比，以適配多種車型，這對產品量產工藝難度與效率形成了挑戰。除此之外，由于電池循環壽命（5～8年）遠超過電單車（3年左右）的設計壽命，需通過電池系統標準化設計，在電池可用能量還可滿足短距離日常出行的情況下，老電池配新車重新投放到出行里程較短的小城市區域，實現電池全生命周期內能量的有效利用；另外通過標準化模組產品的串并聯組合，可實現微網儲能、數據中心UPS電源等多種儲能場景的靈活應用。

5 結論

針對電動兩/三輪車換電式動力鋰電池管理系統，通過結合道路車輛級的BMS開發和電池系統的總成技術，本文從硬件架構設計、軟件功能模塊設計、產品實際工程應用的技術難點與建議幾方面給出了完整的系統技術方案，并提出了基于熱平衡的可充放電功率估計方法，解決了電動兩/三輪車換電式動力鋰電池系統運行電流精確估計問題。實現了系統峰值與連續運行的平滑切換，所設計的BMS具備完善的控制與保護功能，能夠實現精確的電池狀態估計，研發出滿足電動兩/三輪車換電需求的BMS標準化產品，獲得了大量終端客戶的廣泛推廣與應用。