试析JAC 在新能源电池管理系统中的设计应用

引言

当前，我国面临能源和环境的压力，电动汽车以节能、环保而受到重视。电动汽车已成为未来汽车技术发展的趋势。随着电动汽车的发展，对先进电池的需求和对电池能量管理系统的要求也日益提高。根据电池特性，对电池实施有效的管理，对于确保电动汽车的安全、保持电池组性能、延长电池组寿命、提高电池使用效率有重要意义。为掌握电池管理核心技术，公司成立的电池攻关党员小组对电池系统总体设计方案、功能管理、电池硬件、软件等进行了技术攻关，并进行了相关验证。

1 电池管理系统设计方案

电池管理系统的主要功能是采集单体电压、单体温度、母线电压、母线电流、高压系统与整车底盘之间的绝缘电阻等，根据以上数据估算电池荷电状态、电池的健康状况，实时诊断电池故障，通过整车CAN 通讯与整车控制器、充电器、电机控制器等交互信息。

电池管理系统按照系统架构可分为分布式和集中式两种，其中分布式电池管理系统包括主板、从板和高压板。主板主要是实现与整车信息的交互，从板主要实现对单体电压、单体温度的采集，高压板主要实现对高压系统如总压、母线电流、绝缘电阻等的检测。该方案灵活性较好、适用于有两个及以上电池包的整车，但是由于每个电路板均需匹配MCU芯片、电源电路、CAN通讯电路等，成本较高，可靠性不高。而集中式电池管理系统只需要一块电路板即可实现以上所有功能，成本较低、结构简单且可靠性高。在集中式电池管理系统中，为进一步降低成本、缩小电路板面积，本文设计了一种串联式的单体电压采集方案。同时，该方案不需要外加AD 采集芯片，即可实现对总压的采集。

1.1 电池管理系统功能介绍

纯电动汽车电控系统涉及电池管理系统、整车控制器、电机控制器、车载充电器、仪表等，通过整车CAN 交互信息。电池管理系统将采集到的数据信息通过整车CAN 通讯上报整车控制器，由整车控制器根据整车状态，协调电机控制器、车载充电器等各零部件工作，在确保电池使用安全的情况下，实现整车充放电功能。

电池管理系统一方面采集电池单体电压、温度、电流等信息，并根据以上信息估算电池状态，保证电池不过充、不过放、不过温等，另一方面通过均衡控制策略保证电池单体电压和容量的一致性。

1.2 电池管理系统硬件设计方案

电池管理系统硬件结构主要包括单体电压采集模块、均衡控制模块、单体温度采集模块、充放电电流采集模块、总压采集模块、绝缘信息采集模块和通讯模块、MCU 最小系统模块。其中单体电压采集模块、均衡控制模块和总压采集模块通过高低压隔离模块与 MCU 最小系统模块间进行 IIC 通讯。本论文将重点介绍单体电压采集模块、均衡模块、总压采集模块和高低压隔离模块。

本设计中单体电压检测模块由 9 个采集芯片 MAX17830 通过菊花链的方式串联，经隔离芯片实现高低压隔离后，通过 IIC 通讯向 MCU 上报所有单体电压信息，可采集108 串电池单体电压。

芯片 MAX17830 集成了 12 通道的电压数据采集系统，12 通道的单体电压在 120.5vSec 的时间内采集完成，保证了单体电压采集的实时性和同步性，为后期控制策略中求解单体压差提供了有效的数据。该芯片内部集成了 12bitADC模块，为保证单体电压的采集精度，增加了过采样功能，可由用户配置实现14bitADC 功能，该功能不仅可以根据用户需求提高单体电压采集精度，又同时实现了对单体电压信号的硬件滤波。

芯片 MAX17830 为外部均衡控制开关提供了 12 路驱动，该驱动电路可以直接驱动均衡开关，实现对每节单体电压的被动均衡控制，结合均衡控制策略保证单体电压的一致性，解决充放电末期由于某个单体电压过高或过低造成电池容量难以完全放出的问题。均衡控制模块主要是接收芯片 MAX17830 的控制命令，通过电阻耗电的方式，实现对某个单体的均衡控制。

由于单体电压采集模块电路采用电池高压地，而 MCU 最小系统模块采用整车低压地，所以需要高低压隔离芯片。在该单体电压采集方案中，芯片MAX17830 通过串联方式级联，与 MCU 之间只有一路 IIC 通讯，即只需一路高低压隔离电路，该方案不仅可以减小电路板尺寸，还能最大限度地降低成本。

借助芯片 MAX17830 可以实现对所有单体电压的采集、所有单体的均衡控制、电池包总压的采集等功能，并且所有采集数据可通过IIC 通讯上报MCU 芯片，基于以上可靠精确的数据，电池管理系统才能精确实现对电池荷电状态、健康状态的预估。

1.3 电池管理系统软件设计方案

芯 片 MAX17830 支 持 最 多 31 个 芯 片 级 联， 最 高 400kbit/s IIC 通 讯 速率。该芯片内部集成了 44 个寄存器。在芯片初始化时，可通过配置寄存器CELLSCANEN 启动单体电压 AD 转换，配置寄存器 SCANCTRL 实现对过采样次数的设置，对 BALCFG 配置实现对均衡开关的控制，最后通过读取寄存器CELL1、CELL2、CELL3、CELL4、CELL5、CELL6、CELL7、CELL8、CELL9、CELL10、CELL11、CELL12、AIN1 的值获取所有单体电压以及总压信息。

2 方案验证

下表 1 列出了该电池管理系统在同一时刻对电池组 36 节电池单体电压测量所得到的结果，其中过采样次数设置为四次，由表可以看出采集精度在正负2mV 范围内，可以满足设计要求。

表1 单体电压试验数据

3 结论

通过发挥党员引领和先锋模范作用，攻关小组圆满完成了该 BMS 从方案的制定到最后冬季和夏季标定试验，填补了 JAC 在 BMS 方面的空白，也实现了该方案在新能源汽车和混动汽车上的应用。通过纯电动汽车上的实际应用表明，由芯片 MAX17830 实现的多路数据采集系统能够实时准确地获取所有电池单体电压、电池包总压等数据为电池管理系统上层策略的实现提供有效、可靠的数据。同时，为保证电池单体的一致性实现对所有电池单体的均衡控制。通过试验检验，也证明了本文所设计的纯电动车电池管理系统符合设计要求且具有较强的实用性。

参考文献：

[1] 李凯凯. 纯电动汽车锂电池管理系统研究与开发[D]. 重庆交通大学,2020.