電池管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢

1、電池管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢一、 前言        目前，影響電動汽車推廣應用的主要因素包括動力電池的安全性和使用成本問題，延長電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。    為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，必須對電池進行合理有效的管理和控制，為此，國內(nèi)外均投入大量的人力物力開展廣泛深入的研究。例如，日本青森工業(yè)研究中心從1997年開始至今，仍在持續(xù)進行（BMS）實際應用的研究；美國Villanova大學和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池SOC進行基于模糊邏輯的預測；豐田、本田以及通用汽車公司

2、等都把BMS納入技術(shù)開發(fā)的重點。                  我國在十五期間設立電動汽車重大專門研究項目，經(jīng)過幾年的發(fā)展之后，在BMS方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。在國家863計劃2005年第一批立項研究課題中，就分別有北京理工大學承擔的EQ7200HEV混合動力轎車用鎳氫動力電池組及管理模塊、湖南神舟公司承擔的EQ6110HEV混合動力城市公交車用大功率鎳氫動力電池及其管理模塊、蘇州星恒電源有限公司承擔的燃料電池轎車用高功率型鋰離子動力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔的解放牌混

3、合動力城市客車用鋰離子電池及管理模塊等課題。此外還有清華大學、同濟大學等承擔的多能源動力總成控制系統(tǒng)和DC/DC變換器等一大批相關(guān)課題。二、BMS的基本結(jié)構(gòu)       BMS的主要工作原理可簡單歸納為:數(shù)據(jù)采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，再由電子控制單元（ECU）進行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息。基于上述原理，美國托萊多大學提出一個典型的BMS基本結(jié)構(gòu)框圖（圖1）3。這個典型的系統(tǒng)把BMS簡化劃分為1個ECU和1個均衡電池之間電荷水平的均衡器（EQU）兩大部分。其中ECU的任務主要由4個功能組成

4、:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送和控制。ECU也控制均衡器、車載充電器等電池維護設備。                   圖2是韓國Ajou大學和先進工程研究院開發(fā)的BMS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其相互邏輯關(guān)系4。該系統(tǒng)在上述結(jié)構(gòu)中進行功能擴展，即增設熱管理系統(tǒng)、安全裝置、充電系統(tǒng)以及與PC機的通信聯(lián)系。另外還增加與電動機控制器的通信聯(lián)系，實現(xiàn)能量制動反饋和最大功率控制。                   湖南大

5、學研發(fā)的電動汽車（EV23號）采用的集中式BMS結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。該BMS系統(tǒng)最大的優(yōu)點是采用電壓隔離開關(guān)矩陣提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和系統(tǒng)的安全性。其內(nèi)部多條隔離的數(shù)字及模擬信號輸入輸出通道不僅可以根據(jù)要求靈活使用，而且有效增強系統(tǒng)的抗干擾能力。                        現(xiàn)在國外正在開展基于智能電池模塊（SBM）的BMS研究，即在1個電池模塊中裝入1個微控制器并集成相關(guān)電路，然后封裝為一個整體，多個智能電池模塊再與1個主控制模塊相連，加以其它輔助設備，就構(gòu)

6、成1個基于智能電池的管理系統(tǒng)。該BMS成功實現(xiàn)對每個電池模塊的狀態(tài)監(jiān)測、模塊內(nèi)電池電量均衡和電池保護等功能。美國Micron公司開發(fā)的軍用電動車輛BMS采用的就是這種結(jié)構(gòu)6。               三、BMS功能組成部分概述      綜合國內(nèi)外的研究工作，目前所設計的電動汽車用BMS通常包含以下功能組成部分7:數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）的估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）、熱管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信。（一）數(shù)據(jù)采集       在BMS中，

7、采集到的數(shù)據(jù)是對電池作出合理有效管理和控制的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)的精度、采樣頻率和數(shù)據(jù)過濾就非常重要。鑒于電壓、電流、溫度的動態(tài)變化特征，采樣頻率通常應不低于1次/s7。鋰離子電池的安全性要求高，對電壓敏感，所以必須采集每個單體電池的電壓，監(jiān)測到每個電池的溫度。鎳氫電池和鉛酸電池對電壓和溫度的采集精度要求不像鋰離子電池那樣高，有時為簡化BMS的結(jié)構(gòu)，對電壓和溫度成對或成組采集。例如，文獻8中研發(fā)的鎳氫BMS在每組由10個單體電池組成的電池組中設置5個電壓測量點；而對于溫度測量，每個電池組設置1個測量點。      （二）SOC的估算   

8、      電池剩余容量（SOC）的確定是BMS中的重點和難點。由于電動汽車電池在使用過程中表現(xiàn)的高度非線性，使準確估計SOC具有很大難度。傳統(tǒng)的SOC基本估算方法有開路電壓法、內(nèi)阻法和安時法等。近年來又相繼研發(fā)出許多對電池SOC的新型算法，例如模糊邏輯算法模型、自適應神經(jīng)模糊推斷模型、卡爾曼濾波估計模型算法以及新出現(xiàn)的線性模型法和阻抗光譜法等。                   開路電壓法適用于測試穩(wěn)定狀態(tài)下的電池SOC，在電動汽車行駛過程中不宜單獨使用。開路電

9、壓法通常用作其它算法的補充。內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池的內(nèi)阻與SOC之間的聯(lián)系來預測SOC。但電池的內(nèi)阻受多方面的因素影響，測量結(jié)果易受干擾，可信度不高。再加上這種方法比較復雜，計算量大，因此在實際應用中比較困難。安時法通過對電流積分的方法記錄從蓄電池輸出的能量或者輸入蓄電池的能量，再根據(jù)充放電的起始SOC狀態(tài)，就可以計算出蓄電池的SOC。該方法最為直接明顯，而且簡單易行，在短時間內(nèi)具有較高精度，但長時間工作時有較大的累積誤差。                    實際應用中，安時法是目前最常用的方法

10、，且常與其它方法組合使用，如安時內(nèi)阻法、安時-Peukert方程法、安時開路電壓法。這些組合算法通常比單純使用安時法精度更高。各種智能算法和新型算法由于還不是很成熟，有些復雜算法在單片機系統(tǒng)上難以實現(xiàn)，所以在實際應用中還不多見，但這是未來發(fā)展的方向。                     為了更準確估算SOC，在算法中還需要考慮對電池的溫度補償、自放電和老化等多方面因素。例如，韓國Ajou大學和先進工程研究院的研究人員對鎳氫電池SOC的估算中考慮電池的實際可用容量（包含了對溫度的考慮）、自放電

11、率和電池老化對容量的影響，提出了SOC計算公式5為                           SOC（%）=100%×（額定容量+容量補償因數(shù)+自放電效應+老化效應-放電量+充電量）/額定容量               其SOC估算精確度在±3%內(nèi)。 （三）電氣控制     德國的JossenA等研究人員認為電氣控制需要實現(xiàn)的功能有:控

12、制充電過程，包括均衡充電；根據(jù)SOC、電池健康狀態(tài)（SOH）和溫度來限定放電電流7。電氣控制中需要結(jié)合所使用的電池技術(shù)和電池類型來設定一個控制充電和放電的算法邏輯，以此作為充放電控制的標準。                   在BMS中，均衡充電是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。動力電池一般由多節(jié)較大容量單體電池串聯(lián)而成。但由于單體電池之間存在不一致性，這會降低電池組的使用水平，嚴重影響電動汽車的性能，危及電動汽車的安全。例如，在湖南大學研發(fā)的EV23中發(fā)現(xiàn)，當沒有采用均衡充電時，電池經(jīng)過多次的充放電之后

13、，10個單體電池為1組的鎳氫電池組間電壓差最大約為2V。                    均衡充電的方案有多種，選擇時首先要考慮電路復雜程度和均衡效率。美國托萊多大學在其BMS中采用一種集中式、非耗散型的選擇性推進均衡器。這種方案是通過控制繼電器網(wǎng)絡的切換來對所選擇的單體電池進行均衡充電，硬件設備比獨立均衡簡單，但效率相對較低。北京理工大學在其研發(fā)的電動客車BFC6100EV上采用一種電池組均衡充電保護系統(tǒng)方案，實現(xiàn)均衡充電和電池保護的綜合運用。    

14、83;  （四）安全管理和控制       電池自身的安全問題，尤其是鋰離子電池在過充電時會著火甚至爆炸，因此電池使用的安全問題是國內(nèi)外各大汽車公司和科研機構(gòu)當前所面臨和必須解決的難題，它直接影響電動汽車是否能夠普及應用。BMS在安全方面主要側(cè)重于對電池的保護，以及防止高電壓和高電流的泄漏，其所必備的功能有:過電壓和過電流控制、過放電控制、防止溫度過高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。                    這些功能可以與電

15、氣控制、熱管理系統(tǒng)相結(jié)合來完成。許多系統(tǒng)都專門增加電池保護電路和電池保護芯片。例如文獻5中的BMS，其智能電池模塊的電路設計還具有單體電池斷接功能。安全管理系統(tǒng)最重要的是及時準確地掌握電池各項狀態(tài)信息，在異常狀態(tài)出現(xiàn)時及時發(fā)出報警信號或斷開電路，防止意外事故的發(fā)生。 （五）熱管理       電池在不同的溫度下會有不同的工作性能，如鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池的最佳工作溫度為2540。溫度的變化會使電池的SOC、開路電壓、內(nèi)阻和可用能量發(fā)生變化，甚至會影響到電池的使用壽命。溫度的差異也是引起電池均衡問題的原因之一。美國可再生能源國家實驗室的AhmadA.Pesa

16、ran指出熱管理系統(tǒng)的主要任務有:使電池工作在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)；降低各個電池模塊之間的溫度差異17。使用車載空調(diào)器可以實現(xiàn)對電池溫度的控制，這也是電動汽車常用的溫度控制方法。               （六）數(shù)據(jù)通信        數(shù)據(jù)通信是BMS的重要組成部分之一。在BMS中，目前數(shù)據(jù)通信方式主要采用CAN總線通信方式。在廈門大學與清華大學合作開發(fā)的BMS中，其內(nèi)部各模塊之間使用一個內(nèi)部CAN網(wǎng)絡，在通信與顯示模塊中還有另外一個CAN通信接口接入到整車CAN通信網(wǎng)絡中。而在同濟大學

17、開發(fā)的一個試驗用于超越二號燃料電池電動汽車上的BMS中，內(nèi)部模塊采用LIN總線通信，與整車的通信則采用CAN總線方式。                    在采用智能電池模塊時可以選擇使用無線通信方式，或者通過電力載波的方式與主控制器通信。這2種通信方式都可以減少BMS的布線，降低電動汽車內(nèi)部的電路復雜程度，但其可靠性和抗干擾能力不如CAN總線。     另外，每個BMS基本上都留有與計算機的通信接口，便于在計算機上對電池數(shù)據(jù)信息進行分析。   

18、60;           四、BMS的未來研究方向和發(fā)展趨勢       與電機、電機控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，BMS還不是很成熟。BMS作為電動汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，近年來已經(jīng)有很大的提高，很多方面都已經(jīng)進入實際應用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。              （1）BMS的設計主要有如下技術(shù)難點:需要采集的數(shù)據(jù)量大，精度要求高；電池狀態(tài)的非

19、線性變化嚴重制約了SOC的預測精度；內(nèi)部電路復雜，安全性差，抗干擾能力要求高。              （2）根據(jù)對BMS的功能要求和目前研究中的問題可知，如何把握電池內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律，用更有效的方式和采用更適當?shù)乃惴▉碚_估算SOC，減小SOC的估算誤差，仍將是今后研究的重點。              （3）在BMS的安全管理和控制功能模塊設計中，如何解決電池自身的安全性問題，例如:實現(xiàn)電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對人體造成傷害，

20、尤其是在沖力作用條件下（發(fā)生碰撞時）對電池安全性的控制等，還需要進行大量的試驗研究。 4）目前的很多BMS應用某一類型的電池時效果很理想，但卻難以應用到其它類型的電池上。  因此，研究更具有通用性的BMS已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。 三基于CAN總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如下：1.      整組電池SOC值的預測顯示2.      續(xù)駛里程的預測顯示3.      總電壓測量顯示4.      總電