FSAE 方 程 式 （Formula SAE） 系 列 赛 源 于1978 年，中国大学生方程式比赛（燃油车）于 2010年首次在上海举办。 近年来，德国、日本等国举办FSE（Formula Student Electric）大学生方程式汽车比赛（电动车），中国大学生汽车方程式组委会将 于 2013 赛季推出 FSAE 电车赛。电动方程式赛车的动力电池作为能量源，决定着电动汽车的续航里程， 而电池管理系统是电池组的核心，其性能决定着电池组的综合性能，极大程度影响 赛车性能的 发 挥 以 及 比 赛 成 绩 的 结果。 本文结合中国大学生方程式比赛要求，设计一种 FSEC 电动方程式赛车电池管理系统， 实现对电池组及单体电池的管理。

1 电池管理系统组成与功能

电池管理系统的性能提升是电动汽车发展亟待突破的瓶颈，也是核心的关键问题之一。电池管理系统（BMS）主要由 CECU、数据采集模块、均衡管理模块、热管理模块以及电源控制系统等组成，系统框图如图 1 所示。

（图 1 电池组内部结构框图）

BMS 实时对电池组单体电池电压、 温度以及电池组电流采集数据，并将数据通过 LCD 显示出来， 根据特定 SOC 算法对电池组进行均衡管理， 同时通过检测到的数据通过控制风扇启停对电池组进行热管理， 控制报警器和接触器对电池组进行安全管理。具体来说， 电池管理系统的功能包括：（1）监测：监测电池的端电压、电流、温度等参数；（2）保护：短路保护、反接保护、过载保护、温度保护等；（3）计量：对电池在使用中的剩余电量进行动态报告，并通过剩余电量数据和理论值判断电池的寿命；（4）控制：通过接口与通讯协议将电池的状态与外界连接，实现自控功能。

1．1 硬件设计

1．1．1 芯片选择

电动方程式赛车电池管理系统要实现对锂电池的单体电压、总电压、电流以及温度进行实时测量，需要用到单片机的 A ／ D 转换模块、数据存储模块。 综合这些需求，本文选择 microchip 公司研发生产的 PIC18F6628 单片机作为电池管理系统的主控芯片。PIC18F6628 是带 12 位 A ／D 并采用纳瓦技术的 64 引脚增强型 1MB 闪存单片机，最多有 16 通道12 位模／数转换器模块，该模块具有自动采集功能，休眠模式下亦可转换。 2 个主同步串行端口模块，2．5～5 V 的宽工作电压范围，内含 2 个 8 位定时器和3 个 16 位定时器。 图 2 为电池管理系统实物图。

（图 2 电池管理系统内部图）

1．1．2 数据采集

1）电压采集 单体电池电压是电池工作状况的重要参数，电压采集精度决定了电池组 SOC 状态估计精度 。系统软件均采用模块化。 本系统采用光耦隔离的 方法， 光耦隔 离采 用 日 本 东 芝 公 司 生 产 的TL082。单体电池电压经过调整电路后期输出调整到处理器 A ／ D 转换的测量范围（0～3．3 V），单体电池电压检测电路如图 3 所示。

（图 3 电池电压检测电路图）

2）电流采集 电流的采样是估计电池剩余容量 （SOC） 的主要依据，因此对其采样的精度，抗干扰能力，零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。 因为电动方 程式赛车上运行时电机电流正负数值从几安到数百安培， 且变化率较大， 因此必须选用响应速度快、 具有优良线性度的高精度霍尔传感作为电流 采 集 单 元 。 在 实 际 中 采 用 霍 尔 电 流 传 感 器LHB100A， 该电流传感器是基于霍尔原理的闭环（ 补偿 ） 电流传感器，具有出色的精度、良好的线性度和最佳的响应时间， 同时也具有很好的抗干扰能力。 3）温度采集 检测电池组中单体电池在工作过程中 30％单体电池温度，防止单体电池环境温度过高或过低，从而影响锂电池的寿命与性能发挥。 温度检测模 块采用 TC1047A 对温度进行检测，该传感器为线性的电压输出温度传感器， 电压大小与测得的温度成比例关系，可以测量－40～125 ℃的温度范围， 工作电压是 2．5～5．5 V。 TC1047A 输出信号经电容C1 滤波后输入到单片机进行 A ／ D 转换，其中R 取值为 10 kΩ，图 4 为温度采集电路图。

（图 4 温度采集电路图）

1．3 热管理系统

热管理系统包括 CECU、风扇、温度传感器以及相关线束。 根据大赛要求， 电池管理系统需对30％以上的电池进行温度检测， 被监测电池均匀 分布在电池箱体内。 该电池管理系统对每 3 个单体电池布置一个温度传感器， 传感器布置于两单体电池中间位置，图 5 为电池热管理系统结构。

（图 5 电池热管理系统结构）

2 软件设计

2．1 电池管理系统主程序

系统软件采用模块化程序设计， 程序用 C 语言编写，电池管理系统主程序流程框图如图 6 所示，初始化程序后，采集电压、电流以及温度等参 数，估测初始 SOC，同时通过 LCD 显示，并将采集到的初始数据存储通过特定的控制策略进行失效诊断，一切正常则允许电池组能量输出，否则限制 电池组能量输出，重新采集数据并报警。

（图 6 电池管理系统主程序流程）

2．2 控制策略

电池管理系统的控制策略如图 7 所示。 首先进行初始 SOC 估计，根据采集到的电压、电流、温度以及运行时间来估计初始 SOC， 通过判断电池环境温度、电池组绝缘性，结合比赛模式和初始SOC 状态对电池组进行失效诊断，当 SOC 限制条件、温度限制条件以及失效诊断都满足后，则允许电池组能量输出，否则限制电池组能量输出。

（图 7 电池管理系统控制策略）

3 实车试验

系统设计制造完成后，经过实际装车试验，将电池组安装在某电动方程式赛车上， 图 8 为该试验用电动方程式赛车图。使用 3．2V ／ 10Ah 的磷酸铁锂电池， 汽车以匀速行驶工况，在停车 1 min，待电压稳定后，采集到其中部分电池单元电压数据，图 9 为不同 SOC 状态电池单元电压曲线。试 验 表 明 ： 当 SOC 依 次 为 0．9、0．7、0．5、0．3时，电池单元电压相应下降，且每个电池单元下降幅度大致一致， 动力电池电压测量误差在 8％以内，能实时根据动力电池状态进行监控、故障分析和报警，达到了设计要求。

（图 8 试验用方程式赛车）

（图 9 不同 SOC 状态电池单元电压曲线）

参考文献

1.刘 方 湖,陈 建 平,马 培 荪,等.五轮月球机器人及其特性分析［J］.机械设计，2001,5(5): 15-18.

2.常勇,王洪光,马书根,等.月球车六轮摇臂转向架的优化设计［J］. 机械设计，2010, 27(6): 65-68.

3.中国大学生方程式汽车大赛组委会．2011 中国大学生方程式汽车大赛参赛手册［R］．北京：中国汽车工程协会，2012．

4.李晓华．新能源汽车技术［M］．北京：机械工业出版社．2012．

5.岳云超．电池管理系统的研究［D］．北京交通大学，2010．

6.南京瑞．孙逢春．王建群．纯电动汽车电池管理系统的设计及应用［J］．清华大学学报：自然科学版，2007，47（S2）：1833．