電池管理系統(tǒng)研究報告

1、 電池管理系統(tǒng)報告報告人：王傳進(jìn) 日期：2016年2月11 / 13文檔可自由編輯打印目錄一 BMS概況21.1 BMS發(fā)展背景21.2 BMS發(fā)展現(xiàn)狀31.2.1 國外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀31.2.2 國內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀4二 電池管理系統(tǒng)研究關(guān)鍵點(diǎn)52.2 SOC的估算52.3 電池的均衡管理62.4 電池的數(shù)據(jù)采集72.5 電池的熱管理8三 電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案8四 總述10一 BMS概況BMS稱為電動汽車動力電池的管理系統(tǒng)，與動力電池，整車控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了電動汽車三大核心技術(shù)。由于其在電動汽車的具有特有的重要性，越來越受到電動汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)及國家政策層面的關(guān)注。鋰電池應(yīng)用于小型消費(fèi)

2、產(chǎn)品時，以單體電池的形式存在，而在電動自行車，電動摩托車，HEV（混合動力汽車）,PHEV（插電式混合動力車）,BEV（純電動車）中應(yīng)用時，其要求的容量也逐漸增大，需要通過串并聯(lián)的形式組成電池組進(jìn)行充放電。單體之間的性能差異，決定了都需要電池管理系統(tǒng)進(jìn)行充放電管理，監(jiān)控和保護(hù)，以避免單體電池出現(xiàn)損壞，影響整個電池性能。1.1 BMS發(fā)展背景由于動力電池及儲能電池市場的擴(kuò)張，BMS的需求也快速擴(kuò)大，目前國內(nèi)外BMS已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但研究不夠成熟，性能不夠理想。鋰電池和BMS性能的提升，是電動汽車發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，直接決定新能源汽車的推廣。在我國低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，發(fā)展新能源汽車已是大勢所趨。

3、而且，國家已把新能源汽車作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)，著力突破動力電池，電子控制領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)混合動力汽車，純動力汽車的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)我國國建汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的要求，選擇新一代電動汽車技術(shù)作為國家汽車科技創(chuàng)新的研究主題。我國2009年公布汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興計劃確定發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)模目標(biāo)，2012年公布節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提出在未來10年以整車為主要方向，帶動與新能源汽車相關(guān)的動力電池，電機(jī)，電子控制和系統(tǒng)集成等產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。自1999年，北京交通大學(xué)開始電池管理系統(tǒng)的研發(fā)，形成不同車型的，不同結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)。2000年起，北京航空航天大學(xué)開始對電池系統(tǒng)的研發(fā)工作；北京

4、理工大學(xué)為北方客車研制了以單片機(jī)為核心的鉛酸電池管理系統(tǒng)；比亞迪生產(chǎn)的混合動力汽車采用了分布式管理系統(tǒng)，其電池管理系統(tǒng)能夠?qū)恿﹄姵亟M的總電壓，總電流，工作溫度進(jìn)行采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電池組的安全管理及熱管理，并估算電池組的SOC；奇瑞汽車也采用分布式管理系統(tǒng)，電池組為多個電池摸組，使用CAN總線和遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行通訊；長安汽車也為其混合動力汽車研制出了電池管理系統(tǒng)，包括控制電路板和采集電路板兩個主要系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電流電壓的采集，并能對單體電池進(jìn)行熱管理，故障診斷，報警等。1.2 BMS發(fā)展現(xiàn)狀目前為止，世界各大汽車集團(tuán)公司都已在電動汽車上投入大量資金，并研制出多種電動汽車，國內(nèi)隨著國家

5、十五計劃“863”電動汽車科研專項(xiàng)的進(jìn)行，全國各地也在如火如荼的進(jìn)行。1.2.1 國外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國外電動汽車發(fā)展比較早，在車載電池管理系統(tǒng)上做了大量實(shí)驗(yàn)和理論成果。其中，美國的福特，通用及日本的豐田等為其小批量生產(chǎn)混合動力汽車，電動汽車配套的車載電池管理系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的精度和水平。國外主要進(jìn)行如下工作：1) SOC的測量。國外關(guān)于SOC的測量大多通過測量電池的電流電壓等外界參數(shù)找出SOC與這些參數(shù)的關(guān)系，以簡接測出電池的SOC值，常用的方法有開路電壓法，容量累計法，電池內(nèi)阻法等。2) 電池的動態(tài)監(jiān)測。電池運(yùn)行狀態(tài)的好壞關(guān)系到整個電動車輛的運(yùn)行性能，由于運(yùn)行電池的性能不能直接觀測，

6、需要通過電池的外電壓，電流，溫度等參數(shù)判斷其運(yùn)行是否正常。常用的方法是設(shè)計電池模糊診斷系統(tǒng)，通過模糊診斷系統(tǒng)判斷電池的運(yùn)行狀態(tài)，但是由于模糊診斷過程緩慢，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成。3) 熱平衡管理。環(huán)境溫度對電池的性能產(chǎn)生很大的影響，高溫低溫對電池的容量都不利。美國研究這發(fā)現(xiàn)，Ni-MH電池在-22°C時還能夠提供接近其設(shè)計容量的能量，但總電壓下降9.2%，總電壓波動40.2%，單體模塊的最大最大充放電壓與最下充放電電壓相比，電壓波動增加30.3%。SOC的波動引起總電壓的降低對電池的性能和壽命有害。環(huán)境溫度高于40°C，進(jìn)行充放電，對電池的壽命產(chǎn)生不可恢復(fù)的致命影響。國外電

7、池管理系統(tǒng)比較有代表性的有：德國Mentzer Ulectronic Gmbh設(shè)計的BADICHUQ系統(tǒng)；美國通用設(shè)計的電動汽車EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)。1.2.2 國內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀隨著國家“863”項(xiàng)目的確立，電池管理系統(tǒng)已經(jīng)成為我國科研人員研究的熱點(diǎn)，并已經(jīng)有多種管理系統(tǒng)問世，我國關(guān)于電池管理系統(tǒng)的研究是在學(xué)習(xí)國外已有的成果基礎(chǔ)上的創(chuàng)新成果。國內(nèi)研究重點(diǎn)放在SOC的確定，判斷電池放電中止的方法和行車充電器的設(shè)計。目前在我國電池管理系統(tǒng)研發(fā)靠在前沿的公司主要有以下多家：Ø 上海妙益電子科技發(fā)展有限公司。成立于2

8、007年，2008年開始致力于電動汽車，儲能基站等電源管理系統(tǒng)的研發(fā)，生產(chǎn)和銷售，是國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先，市場占有率高的電動汽車電池管理系統(tǒng)供應(yīng)商。妙益BMS除了基本的單體電壓，總電壓，總電流，SOC基本功能外還能實(shí)現(xiàn)單體溫度測量，能量可控均衡，語音報警，數(shù)據(jù)記錄，遠(yuǎn)程控制，輸出控制等功能。BMS電池管理系統(tǒng)憑借原有的車身總線系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，在業(yè)界占領(lǐng)著極大的優(yōu)勢。Ø 深圳市科列技術(shù)有限公司。成立于2010年，公司專注于純電動客車，混合動力客車，純電動乘用車及純電動特等車不同領(lǐng)域鋰電池所需管理系統(tǒng)的研發(fā)和銷售。其研發(fā)帶有“主動均衡，無線傳輸”核心技術(shù)功能的BMS產(chǎn)品能夠

9、顯著解決鋰電池動力電池組不一致的問題，其“高壓管理”技術(shù)達(dá)到國內(nèi)絕緣監(jiān)測等級最高，高達(dá)1000V母線漏電監(jiān)測。Ø 惠州市億能電子有限公司。BMS主要型號有EV01,EV02,EV03,EV04,EV05系列。EV02主要應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，采用分布式系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個管理系統(tǒng)都有一個主控單元，多個監(jiān)測單元；EV03主要應(yīng)用于純電動商用車和混合動力乘用車電池系統(tǒng)，采用分散式結(jié)構(gòu)，由主控單元，高壓監(jiān)測單元和若干個從控單元組成。其他還有如：新能源科技有限公司，東莞鋸?fù)履茉从邢薰?，寧波拜特測控技術(shù)有限公司，深圳市超思維電子股份有限公司，北京海博思科技有限公司，北京華盛源通科技有限公司等

10、。從以上可看出，電池管理系統(tǒng)在我國的發(fā)展也是如火如荼，有些公司已經(jīng)取得了不菲的成果，而且，在市場銷售方面占有很大的份額。二 電池管理系統(tǒng)研究關(guān)鍵點(diǎn)目前基于電池管理系統(tǒng)的研究主要涉及的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)有SOC的估算，單體電池的均衡管理，電池?zé)峁芾?，?shù)據(jù)采集的正確采集。其框圖如下所示：圖2-1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)框圖2.2 SOC的估算SOC即電池的荷電狀態(tài)，其計算表達(dá)式SOC,SOC是動力電池必須實(shí)施監(jiān)測的參數(shù)，SOC是決定動力電池能量流行和分配策略的重要依據(jù)，是確保動力電池安全運(yùn)行的重要參數(shù)。在低SOC下的過放電及在高SOC下的過充電都會導(dǎo)致電池性能的下降，乃至造成安全事故。動力電池工作在充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換及其

11、頻繁的情況下，電流積分將產(chǎn)生較大的累積誤差。電池的自放電，工作電流，工作溫度等也影響到SOC的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)在常用的SOC估算法主要有放電試驗(yàn)法，開路電壓法，安時積分法，負(fù)載電壓法，內(nèi)阻法，卡爾曼濾波法和人工神經(jīng)網(wǎng)路絡(luò)法。由于SOC受到多方面因素的綜合影響，不能僅僅考慮使用某個因素而去估算SOC的值，這樣將會使所測得值遠(yuǎn)離SOC的實(shí)際值，將會給監(jiān)控狀態(tài)帶來隱患。通過資料的查閱目前以有些研發(fā)人員采用的算法，以下2種為例說明：1) 開路電壓與安時積分相結(jié)合。根據(jù)開路電壓法估算初始時刻SOC0，再通過安時積分法得到，再根據(jù)健康狀況及溫度修正SOC0與得到，得到時刻SOC即： ，Kt溫度修正系數(shù)，Ki電流

12、修正系數(shù)。2) 采用卡爾曼濾波法。首先建立電池的狀態(tài)方程和測量方程，設(shè)，建立以電流為輸入，SOC為狀態(tài)變量的零階保持采樣離散狀態(tài)方程： 其中測量方程根據(jù)SOC，電流i，內(nèi)阻R等因素與電池負(fù)載y之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。而后，在不同條件下，利用單脈沖，復(fù)合脈沖充放電實(shí)驗(yàn)，再通過最小二乘法對參數(shù)進(jìn)行辨識。最后，利用辨識所得的測量方程模型，采用卡爾曼遞推濾波法對SOC進(jìn)行估算，并對SOC進(jìn)行修正。2.3 電池的均衡管理對電池組進(jìn)行物理均衡充電控制方案，按均衡電路處理能量的可能流向分為單相均衡和雙向均衡；均衡過程中電路對能量的耗散情況分類分為耗散型和非耗散型；按均衡電路方式分為被動均衡電路和主動均衡電

13、路；按均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為集中式均衡和分布式均衡，這些分類不是獨(dú)立存在，而是相互交叉，相互依存。耗散型均衡通過指定電池組中的單體電池并聯(lián)，在某個單體電池的電壓出現(xiàn)偏高時自消耗放電，從而平衡電池組內(nèi)各單體間容量差，達(dá)到均衡目的。圖2-2 耗散型均衡充電法 圖2-1所示，利用單體電池旁路電阻進(jìn)行自動充放電實(shí)現(xiàn)電池間的均衡，電阻能耗與單體電壓成正比，單體電壓最高的能耗最多，不可控，效率低，能量損失大。非能耗型均衡充電方法采用電容，電感作為儲能元件，利用電源變換電路采取集中或分散式的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向或雙向充電。充電時，將電壓較高的能量傳遞給電壓較低的電池，或者將整組電池的能量補(bǔ)充到電池電壓最低的單體電

14、池，從而實(shí)現(xiàn)電池的均衡。這種能耗小，但控制難度大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前，非能耗均衡電路主要包括續(xù)流電感均衡電路，開關(guān)電容均衡電路，逆變分壓均衡電路等。目前市場上常見的管理系統(tǒng)中，被動均衡是最常見的均衡充電方法，稱為電阻能耗式，屬于耗能型均衡方式。其主要布局，每節(jié)電池都通過一個開關(guān)與一個功率電阻并聯(lián)，串聯(lián)中電池單元的電壓值經(jīng)過差分測量，通過電路被單片機(jī)測得。被動均衡的優(yōu)點(diǎn)電路簡單，成本較低，但其只能做充電均衡，同時，在充電均衡中，多余的能量以熱量的形式釋放，使得整個系統(tǒng)的效率低，功耗高。目前市場上提供的均衡方案基本是被動均衡。主動均衡，屬于無耗能均衡方式，充電時，不把電壓較高的電池能量通過電阻消耗

15、掉，而是將其能量傳遞給電壓較低的電池，或者將整組電池的能量補(bǔ)充到電池電壓最低的單體電池，實(shí)現(xiàn)電池的均衡充電。主動均衡又分為集中式主動均衡和分散式主動均衡，集中式主動均衡是向整組電池獲取能量，通過電能轉(zhuǎn)換裝置向能量少的電池補(bǔ)充能量；分散式主動均衡是在相鄰電池間存在一個儲能環(huán)節(jié)，儲能元件可以是電感或電容，可以讓能量在相鄰電池之間流動，能量多可以將能量傳遞到能量少的電池。2.4 電池的數(shù)據(jù)采集車載動力電池一般由很多單體電池串聯(lián)組成，總電壓36V到800V。電池管理系統(tǒng)需要測量所有單體電池電壓，分組溫度和總電壓電流信號，而且信號動態(tài)范圍大，共模電壓大，數(shù)量多，容易被干擾。這些信號是SOC估算，充放電均

16、衡，過沖過放保護(hù)判斷等功能的基礎(chǔ)，其精度直接影響SOC估算精度，數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，必須保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可靠性，抗干擾性。電池的溫度是評估電池SOC和判斷電池能否正常使用的關(guān)鍵性參數(shù)，電池的溫度直接影響電池的充電效率，溫度高，充電效率高，如果電池溫度太高，可能造成電池的破壞。成組的使用電池，單體間的溫度差異會造成充放電的不均衡，導(dǎo)致電池壽命降低，因此合理設(shè)計溫度的采集是很重要的。電流是電池容量估計的關(guān)鍵參數(shù)，對電流采集的精度，抗干擾能力，零飄，溫飄和線性度誤差的要求很高，電流采集的精度不夠，會直接導(dǎo)致SOC的累積誤差明顯增大，對電池狀態(tài)的監(jiān)控帶來誤判。因此，要合理設(shè)計電流的采集是一項(xiàng)重

17、要技術(shù)。電池的端電壓測量，對單個電池電壓的測量不是很難，關(guān)鍵是對電池組中串聯(lián)在一起的單電池電壓測量。2.5 電池的熱管理電池?zé)崦枋鲭姵厣鸁?，傳熱，散熱的?guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)計算電池的溫度變化；不僅能夠?yàn)殡姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化提供先導(dǎo)，還能為電池電熱性能提供依據(jù)。電動汽車處于工作狀態(tài)的電池組本身是熱源。其散熱環(huán)境由電池組的熱管理系統(tǒng)提供，電池內(nèi)部受熱速率受工作電流，內(nèi)阻和SOC等影響。電動汽車組的生熱散熱過程是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程。熱物性參熱，生熱速率和定解條件構(gòu)成了電熱模型的三要素。因此合理管理好電池的熱性能是提高電池性能，延長電池壽命的重要因素。三 電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案目前電池管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)

18、的功能主要有：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示，狀態(tài)估計，熱管理，數(shù)據(jù)通訊，安全管理，能量管理，故障診斷，其中能量管理包括電池電量均衡功能。其功能框圖如下：圖3-1 電池管理系統(tǒng)功能圖 數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需要采集電池組總電壓，電流，電池模塊電壓和溫度。電池模塊估計包括SOC與SOH（電池健康狀態(tài)）。目前只實(shí)現(xiàn)SOC的估算，SOH還不成熟。熱管理根據(jù)熱管理控制策略進(jìn)行工作，使電池組工作再最佳的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)通訊是電池管理系統(tǒng)與整車控制器，電機(jī)控制器等車載設(shè)備及上位機(jī)等非車載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。安全管理指電池管理系統(tǒng)在電池組電壓，電流，溫度，SOC等出現(xiàn)不安全狀態(tài)時及時報警并進(jìn)行斷路緊急處理。能量管理系統(tǒng)對電池充放電進(jìn)行控制，對電池組內(nèi)單體或模塊進(jìn)行電量均衡。故障診斷指及時發(fā)現(xiàn)電池組內(nèi)出現(xiàn)故障的單體或模塊。而電池管理系統(tǒng)的核心是由單片機(jī)來控制的。主要構(gòu)成原理圖如下3-2所示： 圖3-2 電池管理系統(tǒng)原理圖 目前有種設(shè)計方案采用分布式與集中式相