摘要：针对纯电动汽车用磷酸铁锂动力电池管理系统，硬件采用集中分布式系统对锂离子电池管理，主控模块负责与测控模块和整车控制器通信，并负责电流采集；测控模块负责电池温度采集和电池电压采集。设计软件采用“开路电压法一安时积分法”进行，此方法简单易行，只关注系统的外部特性和进入进出系统的电量，实现检测并计算出电池的剩余电量，且在线精度较高。

    电池的SOC（荷电状态）反映了电池的实际可用电量，它是电动汽车运行过程中非常重要的一个指标。准确合理的SOC估算有许多益处，比如：能延长电池的使用寿命，防止电池出现过充过放现象，提高电池的性能，减少电池的成本。但是电池的SOC不能通过传感原件准确度测量，它只能通过电池其他的一些因素间接地测量，比如电池的开路电压、电流或者温度。

    1 磷酸铁锂电池SOC算法介绍
    1.1电池SOC的定义及影响电池SOC的因素
    电池的SOC（ state of charge）的一般定义如下：在一定的放电倍率下，剩余电量和相同条件下额定容量的比值，即

    式中：Qrem----电池的剩余容量；Qrat----电池的额定容量。
    当SOC=100％时，表示电池充满电，当SOC=0时，表示电池的电量已用完，剩余电量为0.
    1.2电池SOC基本算法
    电池SOC是电动汽车行驶过程中非常重要的一个因素，需要尽可能准确测量，但是电池SOC不像终端电压，或者输入输出电流那样可以直接进行测量，这就需要我们选择合适的测量方法，通过对可测量参数的运用间接地计算出电池SOC。几种典型的算法包括放电实验法、开路电压法、安时积分法、线性模型法、卡尔曼滤波法和神经网络法等。
    1）开路电压法OCV（open circuit voltage）即开路电压，它与电池的电动势在数值上非常接近，与电池的SOC存在着一一对应的关系。开路电压法的原理就是通过实验得到电池SOC与开路电压直接的对应关系，通过这种对应关系即可计算OCV进而得到电池的SOC。由于开路电压的测量需要将电池静止相当长的一段时间才能达到平衡状态进行测量，所以开路电压法并不适合电动汽车在运行时实时测量，一般适合于电动汽车驻车时应用，但是这种方法可以为测量电池SOC初值提供依据。
    2）安时积分法安时积分法是通过对进出电流的积分，得到能量消耗，进而计算出剩余的电量。假设电池在充放电起始时刻t0时刻的电池荷电状态为SOC0，那么在t时刻的SOC可通过下式计算得出

    式中：CN----电池的标称容量；η----充放电效率。通过对电流i从t0到t时刻的积分乘以充放电效率，除以电池的标称容量，再与电池初始SOC相加，即可得到t时刻的电池SOC。
    安时积分法简单易行且工作稳定，所以应用于很多电池SOC测量中，但是这种方法也存在着一些缺点，比如该方法并不能准确测量出电池的初值，并且它属于开环测量，并不能对存在的累计误差进行修正，最终导致电池SOC测量精度误差越来越大，所以对于一些对精度要求较高的场合就不适合运用此方法。在实际的应用中，也常常将安时积分法与其他方法结合使用，可以得到较好的精度。

    1.3开路电压法一安时积分法算法
    综上所述，单一的SOC算法并不能满足设计的要求，从设计的简易程度和成本的方面考虑，本文采用开路电压法一安时积分法对电池SOC进行估算，此方法简单易行，且在线精度较高，不用考虑电池内部复杂的化学反应，只关注系统的外部特性和进入进出系统的电量，实现检测并计算出电池的剩余电量。开路电压法一安时积分法算法流程图如图1所示。

   2 电池管理系统软硬件设计与实现
    2.1系统的硬件设计
    本文采用集中分散式系统设计方案，主控模块采用Freescale公司的MC9S12XS128，负责与测控模块和整车控制器通信，并负责电流采集；测控模块采用Freescale公司的MC9S08DZ60，它主要负责对电池组中46个电池单体电压检测、对电池组内相应测温点进行温度检测以及实现对每个电池单体的均衡控制等功能。
    1）电流采集单元电流对电池SOC估算及系统的安全都有至关重要的影响。由于电池在使用过程中，单体电池都是串联使用，所以采集一路总的电流即为电池的电流，本文中采用型号为CHB300-SG闭环霍尔电流传感器对电流采集。霍尔电流传感器的体积小、使用方便，同时不会对被测系统产生能量损失，被广泛用于电流检测中。
    2）电压采集单元本文采用的电压采集芯片为美国Linear Technology公司生产的LTC6802，该芯片不仅采集精度高，并且集成度也很高，很适合应用于电动汽车上。本文采用46节单体锂离子电池串联的电池组，将这46节电池分成4组，使用4片LTC6802实现对电池电压的检测，如图2所示。采用数字万用表测量锂离子电池的电压，再与LTC6802采集的电压进行比较，测量误差为0.17%，满足系统要求的5%。

    2.2电池SOC估算软件设计
    电池管理系统设计中，SOC的估算是一个重要的部分，采取合理的SOC估算法关系到电池的安全性，既要考虑到算法的可行性，也要考虑对数据采集的准确性，虽然卡尔曼滤波法和神经网络法对电池SOC的估算有比较高的准确性，但是它们对数据的计算量要求很大，对MCU的计算能力要求很高，本文采用的电流积分法与开路电压法结合的方法，也能满足电池SOC估算的要求，简单易行。电池SOC软件设计步骤如下。
    1）首先计算电池SOC的初值SOC0，采用的是开路电压法进行SOC初值估算。
    2）对电池初值进行修正，总和考虑电池SOC的影响因素温度、循环寿命等。修正系数Ko=Ks×KT，其中Ks为循环寿命影响因子，KT为温度影响因子。
    3）采用安时积分法对t0~t1时刻的SOC算法进行计算，公式为

      4）对安时积分法得到的SOC进行修正。
    5）最后计算t时刻的SOC值，
                                                                                                                                       （t）dt。
    6）对电池SOC初值进行定时校正。

    3 结论
    上述磷酸铁锂电池系统是应用于轮毅电机驱动纯电动实验汽车的动力电池组。该电池组通过主控模块与整车控制器及液晶仪表屏进行CAN总线通信，实时传递电池SOC估算值等给液晶屏并显示出来。液晶屏采用的是北京大器智成技术有限公司生产的PS-LCD可编程智能显示屏。
    本文的设计还存在以下需要改进的地方：①对电池SOC算法的研究虽然基本上能满足要求，但还不能完全满足实时性的要求，存在电流累计误差等问题，还需要进一步计算；②对测控系统的协调性问题，虽然实验里进行了测试，但是在实车运行过程中还没有测试，还需要进一步实车的测试。