電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究

考慮到能源和環(huán)境，電動(dòng)汽車在世界各國(guó)政府和主要汽車公司的共同推動(dòng)下迅速發(fā)展，具有廣闊的市場(chǎng)前景。電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源,承擔(dān)電動(dòng)汽車全部或者部分動(dòng)力輸出,其性能優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程。電動(dòng)汽車電池組在工作過程中常因充放電時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生過充電、過放電現(xiàn)象,不僅影響了電池的使用性能,縮短了電池的使用壽命,而且減少了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程,降低了整車性價(jià)比;同時(shí)若不能及時(shí)精確地采集到單體電池和整組電池包的工作參數(shù)(如電壓、電流、溫度、剩余電量等),還會(huì)影響到整車優(yōu)化控制策略,降低電池安全性能,甚至引發(fā)汽車爆炸。因此電池管理系統(tǒng)(BMS)作為電池系統(tǒng)的核心部分,在整個(gè)電動(dòng)汽車的研究和發(fā)展過程中具有舉足輕重的作用。1規(guī)范數(shù)據(jù)采集和采集測(cè)試典型電池管理系統(tǒng)如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)采集、中央處理器(CPU)、均衡管理、熱管理和數(shù)據(jù)通訊等模塊組成,其工作過程為:(1)通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取電池電路中的重要數(shù)據(jù)(如單體電池和電池組電流、電壓和溫度等);(2)將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器進(jìn)行分析和處理;(3)比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄,發(fā)出程序控制和變更指令;(4)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示器,同時(shí)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行模塊做出動(dòng)作,對(duì)電池組進(jìn)行調(diào)控。數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)中最重要和最基本的功能,SOC估計(jì)和均衡管理等都是以采集到的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行工作的,通常需要采集電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)。鋰離子電池對(duì)電壓和溫度比較敏感,因此必須采集每個(gè)單體電池電壓,采樣周期為1s,采集精度要達(dá)到0.1V;同時(shí)還要監(jiān)測(cè)單體電池溫度,采集周期為1s,采集精度為0.5℃;而對(duì)電流信號(hào)只需采集整個(gè)電池組的電流,采樣周期為1s,采集精度為1%。相對(duì)于鋰電池,鉛酸電池和氫鎳電池對(duì)電壓和溫度的采集精度沒那么高,只需對(duì)電池電壓和溫度成對(duì)或成組采集。(2)測(cè)試soc的方法步驟電池管理系統(tǒng)的核心課題之一就是SOC估計(jì),一般由CPU模塊進(jìn)行計(jì)算。目前最常用SOC估算方法是安培法,其他的還包括開路電壓法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等:(1)安培法由于不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化,因而操作方便,簡(jiǎn)單;但該方法對(duì)電流的測(cè)量精度不高,隨著時(shí)間的推移,SOC累計(jì)誤差將會(huì)不斷加大;(2)開路電壓法是利用電池開路電壓與SOC的近似線性關(guān)系來測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下電池的SOC,在汽車行駛過程中不宜單獨(dú)使用;(3)內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池的內(nèi)阻與SOC之間的聯(lián)系來預(yù)測(cè)SOC。由于電池的內(nèi)阻受多方面的因素影響,因此測(cè)量結(jié)果可信度不高,實(shí)際應(yīng)用較少;(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于模擬電池動(dòng)態(tài)特性來估算SOC,但此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí),而且數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法要求較高,容易產(chǎn)生誤差;(5)卡爾曼濾波法是將電池看作動(dòng)力系統(tǒng),SOC作為一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài),將電池的非線性狀態(tài)空間模型線性化。由于糾正誤差能力強(qiáng),該方法用于電流波動(dòng)劇烈的混合動(dòng)力汽車,缺點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)處理速度要求較高。(3)鋰離子電池均衡控制策略電動(dòng)汽車車用電池都是由多個(gè)電池組成的電池組,由于單個(gè)電池在制造過程中性能存在分散性和使用過程中電池內(nèi)部環(huán)境的不均勻性,因此隨著使用時(shí)間的增加,單個(gè)電池之間的性能差異將逐漸增加,從而影響電池壽命,甚至還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量引起電池燃燒或爆炸等危險(xiǎn)。因此需要對(duì)電池單體進(jìn)行均衡管理,盡量保持電池單體的一致性,并對(duì)電池單體電壓和能量進(jìn)行檢測(cè),防止過充和過放。對(duì)于鋰離子電池常用的均衡方案主要有:電阻方案、開關(guān)電容方案、獨(dú)立充電方案。而對(duì)于鉛酸電池和氫鎳電池來說,常用的方法有:涓流充電均衡法、電阻并聯(lián)均衡法、放電均衡法、電感均衡法。電池性能發(fā)揮好壞與電池的溫度密切相關(guān):溫度過高時(shí),電池能量和容量可以充分利用,但是電池壽命會(huì)縮短;溫度過低時(shí),電池的內(nèi)阻和極化電壓增加,放電能力下降,使得電池的實(shí)際可用容量減小,能量利用效率下降。因此,需要?jiǎng)?chuàng)造條件對(duì)電池組的工作溫度進(jìn)行主動(dòng)式管理,使得電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。通常,鋰離子電池工作溫度范圍為:充電時(shí),-10~45℃;放電時(shí),-30~55℃。鉛酸電池和氫鎳電池工作溫度范圍為:充電時(shí),-10~50℃;放電時(shí),-20~60℃。他們最佳的工作溫度范圍為:20~40℃。(5)電池管理系統(tǒng)電池工作時(shí),電池運(yùn)行時(shí)的相關(guān)信息需按要求上報(bào)。對(duì)于用在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)上的電池組而言,一方面要上報(bào)信息到電池管理系統(tǒng),為其他系統(tǒng)提供所需的數(shù)據(jù),同時(shí)接受其他系統(tǒng)提供的信息,為制定合理的電池管理方案提供依據(jù);另一方面各電池組之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過這些信息最終確定采用何種通訊手段,從而了解電池的容量和性能,保證電池安全可靠的運(yùn)行。目前應(yīng)用到電池管理系統(tǒng)中的主要通訊手段有:SMBUS總線、CAN總線、RS232總線和RS485總線。2電池管理系統(tǒng)的研究2.1電池管理系統(tǒng)測(cè)試國(guó)外電動(dòng)汽車的研究起步早,并且在電池管理方面做了大量的理論和實(shí)踐工作,為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車的車用電池研制出了配套的電池管理系統(tǒng)。美國(guó)在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究領(lǐng)域一直走在世界的前列。美國(guó)Villanova大學(xué)和USNanocorp公司合作較早地對(duì)電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測(cè)。美國(guó)的TheuniversityofToxed大學(xué)最早提出了BMS系統(tǒng)。目前美國(guó)比較成熟電池管理系統(tǒng)有:通用公司電動(dòng)汽車EVI采用的電池管理系統(tǒng),Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng),ACPropulsion公司開發(fā)的高性能電池管理系統(tǒng)BatOpt。EVI的電池管理系統(tǒng)由26個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)組成,能監(jiān)測(cè)單體電池的電壓,采集電池組的電流,具有過放電報(bào)警系統(tǒng)和高壓斷電保護(hù)等功能。SmartGuard系統(tǒng)采用分布式的方式采集電池的溫度和電壓,具有自動(dòng)過充電監(jiān)控,記錄電池歷史,提供最差單體電池的信息等功能。Batopt系統(tǒng)由中心控制單元和電池監(jiān)控模塊組成,監(jiān)控模塊通過twowire總線向中心控制單元傳輸各個(gè)電池工作信息,中心控制單元收集信息后進(jìn)行優(yōu)化控制。在歐洲,德國(guó)是電動(dòng)汽車發(fā)展較快的國(guó)家,比較成熟的電池管理系統(tǒng)有德國(guó)MentzerElectronicGmbh和WernerRetzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOACH系統(tǒng)和德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)。BADICHEQ系統(tǒng)由26個(gè)蓄電池組成,能夠采集電流、溫度和電壓信號(hào),同時(shí)具有數(shù)據(jù)通訊、均衡控制和數(shù)據(jù)顯示功能。BADICOACH系統(tǒng)是對(duì)BADICHEQ系統(tǒng)的改進(jìn):(1)在數(shù)據(jù)采集方面使用非線性電路來測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓,并通過一條信號(hào)線將各個(gè)單體電池電壓傳輸給系統(tǒng);(2)在安全管理方面顯示最差的單體電池的SOC并提供保護(hù);(3)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面可存儲(chǔ)24個(gè)充放電周期的數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù)去判斷電池的工作狀況,并快速檢索電池錯(cuò)誤使用情況。BATTMAN電池管理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是將不同型號(hào)動(dòng)力電池組做成一個(gè)系統(tǒng),通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法,來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理。日本青森工業(yè)研究中心從1997年至今一直在堅(jiān)持對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的研究。韓國(guó)Ajou大學(xué)和先進(jìn)工程研究院也研制聯(lián)合開發(fā)的電池管理系統(tǒng)具有安全管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)(包括與PC以及與電動(dòng)機(jī)控制器的通信),從而實(shí)現(xiàn)能量汽車制動(dòng)反饋和最大功率控制。韓國(guó)還研制出了SAMSUNGSDI電池管理系統(tǒng)由檢測(cè)單元、微處理器、電池單體和平衡單元組成,能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)40個(gè)單體電池電流、電壓和溫度信號(hào),并且能實(shí)現(xiàn)單體電池之間的均衡。加拿大Zader研制的電池管理系統(tǒng)由控制器、監(jiān)測(cè)模塊和平衡模塊組成,能夠監(jiān)測(cè)電池組溫度和電壓,控制電池單體的充、放電均衡。2.2電池管理系統(tǒng)的研發(fā)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車電池管理的研究起步較晚,但在國(guó)家“十一·五”規(guī)劃和“863”計(jì)劃的推動(dòng)下,至2011年,我國(guó)在BMS研究方面也取得了很大的突破。北京交通大學(xué)自1999年起一直致力于電池管理系統(tǒng)的研究,形成了涵蓋鉛酸、氫鎳和鋰電池的結(jié)構(gòu)多樣的適應(yīng)不同車型的系列產(chǎn)品,具有單體電池電壓的檢測(cè)、電池充放電電流的檢測(cè)、電池均衡管理、SOC估算、故障報(bào)警等功能。北京航空航天大學(xué)從2000年開始啟動(dòng)電池管理系統(tǒng)的研發(fā)工作,研制的氫鎳電池管理系統(tǒng)具有電流、電壓及電池箱溫度的采集、SOC估計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)判斷等功能。北京理工大學(xué)王建群等人為BK6121EV研制的鉛酸電池管理系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,采用分布式結(jié)構(gòu),可以實(shí)時(shí)參數(shù)檢測(cè)、故障診斷、危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警和熱管理等功能,有效地管理車輛能量,使車輛效率最大化。北方交通大學(xué)姜麗君等研制的電池管理系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)電池的充電及放電信息進(jìn)行采集,通過對(duì)采集數(shù)據(jù)分析及總結(jié)來決定充電和放電方式,從而消除電池記憶,增加了電池容量,延長(zhǎng)了電池壽命。比亞迪股份有限公司為混合動(dòng)力轎車及純電動(dòng)轎車設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),具有采集電池組總電壓和總電流、SOC估算、安全保護(hù)和熱管理等功能。奇瑞汽車股份有限公司研發(fā)的電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),由多個(gè)電池模組、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線和電池管理模塊構(gòu)成,能夠管理電池單體、均衡充電和擴(kuò)充接口。長(zhǎng)安汽車股份有限公司為混合動(dòng)力轎車研制的電池管理系統(tǒng)包括采集電路板和主控制電路板兩大子系統(tǒng),具有采集電池總電壓和總電流、熱管理、故障診斷和報(bào)警等功能。北京集能偉業(yè)電子科技有限公司研制的氫鎳智能化電池管理系統(tǒng)由電池信息采集模塊、溫度檢測(cè)模塊、風(fēng)扇控制模塊、電池容量檢測(cè)模塊和管理模塊組成,具有檢測(cè)電池電壓和溫度、均衡管理、熱管理、過放電保護(hù)等功能。3電池管理系統(tǒng)及動(dòng)力電池組與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車相比,電動(dòng)汽車發(fā)展時(shí)間還較短,許多技術(shù)還不成熟。電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一,盡管近些年來有了很快的提升,也有很多投入了實(shí)際的運(yùn)用,但是現(xiàn)在的電池管理技術(shù)仍然有許多要改良和完善的地方。(1)SOC描述電池的剩余荷電數(shù)量,是電池使用過程中的重要參數(shù)。同時(shí)SOC的預(yù)測(cè)精度又被電池狀態(tài)非線性的變化所影響。如何根據(jù)采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù),建立每塊電池剩余能量的較精確的數(shù)學(xué)模型,即準(zhǔn)確估測(cè)電動(dòng)汽車蓄電池的SOC狀態(tài)仍將是后期研究的重點(diǎn)。(2)電池管理系統(tǒng)中的動(dòng)力電池組是由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成的電池模塊,由于動(dòng)力電池組中單個(gè)電池容量的不一致,通過若干次充放電循環(huán)后電池組會(huì)失衡,嚴(yán)重影響動(dòng)力電池組的效率與安全。如何采用均衡充電予以補(bǔ)償,保持每個(gè)電池容量的相對(duì)一致,設(shè)計(jì)出低成本的電池均衡系統(tǒng)是電動(dòng)汽車是否能夠產(chǎn)業(yè)化的重要因素。(3)對(duì)動(dòng)力電池的安全管理也是電池管理系統(tǒng)的重要研究課題之一,關(guān)系到電動(dòng)車能夠得到消費(fèi)者信賴的最關(guān)鍵因素。安全管理除了電池組熱管理技術(shù)和對(duì)系統(tǒng)異常報(bào)警技術(shù)外,同時(shí)還需要加強(qiáng)對(duì)異常情況的及時(shí)處理,如充放電突然增大或電池?fù)p壞。(4)目前的很多國(guó)內(nèi)外比較成型的BMS