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!!作者简介：刘均（’()&—），男，讲师，主要从事电子测量，智能控制等方面研究。
混合动力汽车自适应电池组管理系统
刘!均
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，邹彦艳
’
，胡继东
，刘!刚
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，崔!刚
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（’+大庆石油学院，黑龙江大庆’&’,；"+哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨’$###’；
+大庆林源炼油厂，黑龙江大庆’&,’）
!!摘要：提出一整套关于动力电池组控制、管理的嵌入式解决方案。系统不但具有电压、电流、温度测量电池组保护功能，而且
具有动态的-./（-010234/51672）计算方法，对于大功率的动力电池而言还具有通用性。
关键词：混合动力汽车；电池保护；电池管理；电池荷电状态
中图分类号：89(#!!!!!!!!文献标识码：:!!!!!!!!文章编号：’##&%"(;（"##$）#$%##;&%#"
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;<电池组的放电环境
由于电池组用于混合动力汽车，其放电环境与一
般的电池放电不一样，主要是以大电流脉冲放电为主
辅以小电流短时间持续放电。图’所示为奇瑞混合动
力汽车实测放电电流与时间曲线。在汽车启动瞬间会
有高达’$#S左右的脉冲放电，在加速时会有#S左
右的短时间持续放电，而在汽车正常行驶或减速时会
对电池组进行充电。充电电流一般也有#S左右，在
图中以负电流形式表现。由于汽车行驶时对于电能的
需求具有不确定性，随着路况的变化而变化。图’的
电流曲线只是一种典型情况。一般来说脉冲放电对电
池-./的影响不大，但是大电流持续放电对电池-./
的影响是很大的，另外汽车在行驶过程中外部温度会
经常改变，这也会对电池的-./有较大影响。再有就
是电动机的启停会有很严重的电磁干扰。
图’!混合动力汽车实测电流图
这些外部环境为电池组管理系统的设计带来了很
大的困难。
=<系统总体构成
用于混合动力汽车的电池组采用;#节大功率锂
聚合物电池串联而成，单节电池的工作电压为"+,W到
;+"W，电池组工作电压为’"#W到’&,W，放电电流最大
’,#S，电池管理系统采用模块化设计，模块之间采用
串行总线进行通讯。系统的管理策略围绕电池组的保
护和状态检测进行，当电池组出现过压、欠压、过流、温
度异常等情况时，系统需要切断供电回路以保护电池
组。为了配合混合动力汽车的整体运行需要，系统需
要向汽车总控系统提供电池组的状态信息，供汽车总
控系统作出运行判断。系统结构如图"所示。系统各
模块功能描述如下：
图"!系统框图
—&;—
仪表技术"##$年第$期
万方数据
（!）系统管理模块，负责下层节点的管理、电池
组的总电压、电流测量、"#$计算以及与汽车其他节点
的通信功能。系统管理模块由一片$%&’!(&)!为核
心，完成对所有下层电池单元测量模块的管理和电池
组总电压、电流的测量，为了减少系统模块之间的连
线，采用了串行总线"+完成模块之间的通讯，每个测
量节点有一个唯一的地址，系统管理节点通过"+总
线对所有电池单元测量模块进行轮询，获得单节电池
的电压。对于散热模块和保护模块则直接发出控制信
号。$,-用于系统管理节点与汽车其他节点进行通
信。另外系统管理节点可以配备.$/显示器和键盘，
可以在电池脱离汽车单独使用时进行管理。
（0）电池保护模块不但提供电池组的过压、过
流、欠压等异常情况的保护，而且将电池组的总电压和
总电流信号转换为1’234’2之间的电压信号，传
递给系统管理模块进行测量。通过使用霍尔传感器可
以实现无接触测量电池组电流，通过隔离放大器测量
电池组电压。测量信号直接送入系统管理节点，由系
统管理节点进行,5/转换，用于电池组"#$计算。
保护模块还可以接受来自管理模块的异常保护命令，
而且当模块本身发现电池组电压电流异常时，保护节
点能够自动工作，单独提供对电池组的过流、过压和欠
压保护。
（6）电池测量模块以带有片内,5/和"+总线
单片机为核心，用于单节电池的电压与温度测量以及
电池内阻的计算。由于,5/的输入具有很高的共模
电压，因此对于单节电池电压测量时使用了具有高共
模输入的运算放大器。模块如果收到来自于管理模块
的查询命令，则将测量结果通过"+总线发送给管理
模块。
（)）显示模块是选配模块，由.$/与键盘组成，
在电池组正常工作时不需要此模块，在电池组离线工
作（脱离汽车单独工作）时，可以通过显示模块察看电
池组状态和进行参数设定。
（’）由于电池在多次充放电后会出现不均衡现
象，因此系统配置了均衡电路完成对电池组的均衡。
系统的其他功能包括电池组故障检测，通过对单
节电池的电压与内阻的测量，可以定位电池故障，如果
电池组运行时发现温度过高，影响性能，还可以通过控
制散热风扇进行温度控制。
!"电池#$%的计算
电池荷电状态"#$（"7879:;<=8>?9）描述电池剩余
电量的数量，是电池使用过程中的重要参数。定义
"#$为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件
下额定容量的比值。电池组"#$的计算是系统的必
备功能，也是最困难的部分，"#$受充放电倍率、温度、
自放电、老化等影响，而且都是非线性的。影响"#$
的主要因素有：电池放电电流，电池所在环境的温度，
电池的充放电循环次数。通常情况下，电池组在不同
的放电电流下，能够放出的电量是不同的。小电流时
放出的电量多，大电流时放出的电量少，在常温下能够
放出的电量最多，在低温和高温下，能够放出的电量要
少的多，新电池组能够释放出的电量比旧电池组多。
可以看出如果电池组处于比较稳定的放电环境时，电
池组的容量是比较稳定的。但是如果放电环境不稳
定，则电池组容量变化会比较大。如果电池组用于混
合动力汽车，则它的放电环境是很恶劣的。对于"#$
的计算也很困难，目前常用的用于电池电量计量的是
库伦计法与开环电路法，系统采用的自适应算法是在
库伦计法与开环电路法的基础上提出的。现对这三种
方法简单介绍如下：
（!）库仑计法
通过对单位时间内流入流出电池的电流进行累
积，从而获得电池组每一轮放电能够放出的电子数量，
确定电池"#$的变化。库仑计法特别适用于电池组
的"#$计算，但是库仑计法的主要弱点是它假定电池
容量是固定的。而实际使用中，电池的容量总是在变
化中，例如在常温下电池具有最大的容量，而随着温度
的下降，电池的容量会逐渐下降；随着电池的使用，电
池容量会逐渐降低，直至为零；采用不同的放电电流会
得出不同的电池容量。因此，采用库仑计法测量电池
"#$存在着很多使用上的局限性。
（0）开环电路法
开环电压的形成来自于电池内部电子的迁移，电
子数量越多，电压越高。根据锂电池原理可知，它阳极
采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱
离电池阳极，到达锂离子电池阴极。因此电池极板间
的电压表示有多少锂原子成了锂离子，因此开环电压
是描述锂电池容量的最直接参量。但是开环电压与
"#$并不是线性关系，两者关系见图6。测量时要求
电池的开环电压必须处于稳定状态，从电池放电结束
到开环电压处于稳定状态一般至少需要几分钟到十几
分钟。电池类型不同，需要时间也不同。而且在电池
使用过程中很难获得准确的开环电压。
图6@锂电池开环电压与"#$的关系
（下转第’)页）
—A)—
0&&’年第’期仪表技术
万方数据
主要用于滤波，其中!
!"#!$!%&’
为()+,输入信号带宽，
取-./01。电阻2用来确定()+,输出电压范围：
"
3
#
4"%
$5%56//!(
37/68"
式中$3+69:;99为<:)%传感器灵敏度，%3699
图=>软件流程图
为<:)%传感器满量程，#
4"%
36:为()+,输出直流
电压最大范围。另外2-、2=用来补偿()+,输出电
压的漂移，?7，?.，?-，?=用于电源滤波。
!"系统软件设计
为尽量降低功耗，本测量仪开机初始化完后系统
进入待机状态。而所有的功能都在中断方式下实现。
其中键盘中断的优先级最高，其次是串口中断和时钟
中断。执行完相应功能后仪器又进入待机状态。
#"结束语
本测量仪主要用来测量,6@7//99的柱体直径，
它已经在火车外轮径的检测中得到应用。测量误差小
于799，采用两节锂电池供电。具有体积小、精度高、
功耗低、携带方便等优点。有较高的实用价值。
参考文献：
［7］ABCDEBFCGHIB8J(IIKDHLB’BHMKDB9BNL"MONE<:)%M［P］J
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NCLB，7++6，(9BDOIHNJ
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［P］J郑州纺织工学院学报，7+++，（）J（郁红编发
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
）
（上接第=W页）
（-）自适应测量
为了解决电池!4?随温度、寿命、放电电流等外
部条件的变化而变化的问题，提出以下一种电池!4?
计算方法，当电池处于持续放电的时候对电池进行库
仑计法计算电池组!4?；使用一段时间后计算误差会
逐渐累计，当电池与负载断开后一段时间，测量电池的
开环电压，和电池的已知不同!4?情况下的开环电压
进行比较，从而得到另一个!4?，两个测量结果用于计
算一个误差纠正因子，用于下一次放电时的!4?测
量。从而减少了库伦计法计算产生的误差。
系统完成了电池管理需要涉及的各个方面，包括
电池保护，电池管理，电池平衡，电池!4?预测，电池
组散热问题，提供了与其他设备的接口功能，不但可以
为混合动力汽车所用，而且可以为其他各种需要大功
率电源管理的设备所使用。
参考文献：
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用［P］J电池，.//=，-=（6）：-WX-W,J
［.］胡明辉，秦大同，舒红，等J混合动力汽车电池管理系统
!4?的评价［P］J重庆大学学报（自然科学版），.//-，.
（=）：.7X.-J（许雪军编发
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
）
（上接第=+页）
.//01。将所得的序列进行,点YY%变换即可以很快
的得到.601的电压值。为了使所得到的数据更精
确，可以将此过程重复几次，对得到的值取平均。采用
这种方法提高了检测速度和精度，而且大部分工作由
软件完成，简化了电路结构。
$"结束语
通过上面的讨论可以看出，这种利用相关法来检
测轨道电压与参考电压的相位差的方法和利用频域法
来检测轨道电压的方法，其大部分的工作由软件来实
现，避免了由于采用硬件进行整流滤波而带来的误差，
大大简化了硬件电路的设计。该技术应用于轨道信号
检测，已取得了良好的效果。
参考文献：
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等教育出版社，.///J
［.］任冠众，宁永兰J相位测量技术［P］J电测与仪表，7++/，
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［-］张毅刚，付平，王丽J采用数字相关法测量相位差［P］J计量
学报，.///，.7（-）：.7X..7J
（郁红编发）
—=6—
仪表技术.//6年第6期
万方数据
混合动力汽车自适应电池组管理系统
作者：刘均，邹彦艳，胡继东，刘刚，崔刚，LIUJun，ZOUYan-yan，HUJi-dong，LIU
Gang，CUIGang
作者单位：刘均,邹彦艳,LIUJun,ZOUYan-yan(大庆石油学院,黑龙江,大庆,163318)，胡继东,HUJi-
dong(大庆林源炼油厂,黑龙江,大庆,163813)，刘刚,崔刚,LIUGang,CUIGang(哈尔滨工业大
学,黑龙江,哈尔滨,150001)
刊名：仪表技术
英文刊名：INSTRUMENTATIONTECHNOLOGY
年，卷(期)：2005(5)
参考文献(2条)
1.胡明辉;秦大同;舒红混合动力汽车电池管理系统S0C的评价[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版)2003(04)
2.林成涛;王军平;陈全世电动汽车SOC估计方法原理与应用[期刊论文]-电池2004(05)
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3.徐志英.许爱国.谢少军.XUZhiying.XUAiguo.XIEShaojun基于MCU的锂离子电池管理器设计[期刊论文]-电子工程
师2007,33(12)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ybjs200505016.aspx
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