新能源電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1、新能源電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀新能源電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)與趨勢(shì) 闞宏林闞宏林 安徽工程大學(xué)安徽工程大學(xué)2015.06.202015.06.201、電動(dòng)汽車分類及發(fā)展?fàn)顩r2、電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)3、電池管理（BMS）電動(dòng)汽車分類及發(fā)展?fàn)顩r1、分類按動(dòng)力源分為三類純電動(dòng)汽車 （PEV，Pure Electric Vehicle）混合動(dòng)力汽車（HEV，Hybrid Electric Vehicle）燃料電池動(dòng)力汽車（FCEV，F(xiàn)uel Cell Electric Vehicle按速度分為低速、高速按用途分：普通家用轎車、觀光車、廠區(qū)車、特種車輛、公交電動(dòng)車等?；旌蟿?dòng)力汽車：1、動(dòng)力來(lái)源、動(dòng)力來(lái)源：混合

2、電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源于 2 種或 2 種以上的能源，如蓄電池和汽油發(fā) 動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這些能源可分別用作 汽車的動(dòng)力來(lái)源，也可相互協(xié)作或以主輔 關(guān)系來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車；2、發(fā)展趨勢(shì)、發(fā)展趨勢(shì)：外接充電式 （Plug- In） 的 混合動(dòng)力汽車 （PHEV）3、地位：、地位：混合動(dòng)力汽車仍將是過渡產(chǎn)品燃料電池動(dòng)力汽車：1、動(dòng)力來(lái)源：、動(dòng)力來(lái)源：來(lái)自燃料電池。燃料電池：是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等優(yōu)勢(shì)：燃料電池汽車在發(fā)展大型固定路線交通工具上占有優(yōu)勢(shì)純電動(dòng)汽車：純電動(dòng)汽車是國(guó)際公認(rèn)的新能源汽車

3、的最佳解決方案我國(guó)純電動(dòng)汽車發(fā)展可分為 2 個(gè)階段即示范應(yīng)用期和推廣成熟期。區(qū)分 2 個(gè)階段的主要標(biāo)志應(yīng)是純電動(dòng)汽車發(fā)展由政府推動(dòng)過渡為市場(chǎng)推動(dòng)。本人觀點(diǎn)：低速電動(dòng)汽車應(yīng)該很有前景從技術(shù)和實(shí)用性都很好，只是政策問題。2、電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)能把高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速限制在一個(gè)窄的范圍內(nèi)，這是為何傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車需要龐大而復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)的原因；而電動(dòng)機(jī)可以在相當(dāng)寬廣的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在純電動(dòng)車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。與混合動(dòng)力汽車相比，純電動(dòng)車使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化，也降低了機(jī)械部件摩擦導(dǎo)致的能量

4、損耗及噪音，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間、重量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件（電池、電機(jī)、電控）之一，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動(dòng)汽車的重要部件。電動(dòng)汽車中的燃料電池汽車 FCV、混合動(dòng)力汽車 HEV 和純電動(dòng)汽車 EV三大類都要用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，選擇合適的電動(dòng)機(jī)是提高各類電動(dòng)汽車性價(jià)比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車輛行駛過程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、效率高。電機(jī)動(dòng)力電池動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，決定了它的續(xù)行里程和成本。用于電動(dòng)車的動(dòng)力電池應(yīng)有的功能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括：（1）安全性

5、；（2）比能量；（3）比功率；（4）壽命；（5）循環(huán)價(jià)格；（6）能量轉(zhuǎn)換效率。這些因素直接決定了電動(dòng)車的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，弱點(diǎn)是質(zhì)量比能量低、購(gòu)置價(jià)格貴，但是循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá) 50 萬(wàn) 100 萬(wàn)次，故單次循環(huán)價(jià)格不高，與鉛酸電池、能量型鋰離子電池并聯(lián)可以組成性能優(yōu)良的動(dòng)力電源系統(tǒng)。鉛酸電池生產(chǎn)技術(shù)成熟，安全性好，價(jià)格低廉，廢電池易回收再生。近些年來(lái)，通過新技術(shù)，其比能量低、循環(huán)壽命短、充電時(shí)發(fā)生酸霧、生產(chǎn)中可能有鉛污染環(huán)境等缺點(diǎn)在不斷克服中，各項(xiàng)指標(biāo)有很大提高，不僅可更好地用作電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車的電源，而且在電動(dòng)汽車上也能發(fā)揮很好的作用。超級(jí)電容鉛酸

6、電池以磷酸鐵鋰為正極的鋰離子電池負(fù)極為碳、正極為磷酸鐵鋰的鋰電池綜合性能好：安全性較高，不用昂貴的原料，不含有害元素，循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá) 2000 次，并已克服了電導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。能量型電池的質(zhì)量比能量可達(dá) 120Wh/kg，與超級(jí)電容器并聯(lián)使用，可以組成性能全面的動(dòng)力電源。功率型的質(zhì)量比能量也有70 80Wh/kg，可以單獨(dú)使用而不必并聯(lián)超級(jí)電容器。磷酸鐵鋰以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池鈦酸鋰在充電 - 放電中體積變化極小，保證了電機(jī)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定和電池的長(zhǎng)壽命；鈦酸鋰電極點(diǎn)位較高（相對(duì)于 Li /Li 電極為 1.5V），在電池充電時(shí)可以不生成鋰晶枝，保證了電池的高安全性。但也因鈦酸鋰電極電位較高，即使與電

7、極電位較高的錳酸鋰正極配對(duì)，電池的電壓也僅約2.2V，所以電池的比能量只有約 50 60Wh/kg。即使如此，這種電池高安全性，長(zhǎng)壽命的突出優(yōu)點(diǎn)，也是其他電池?zé)o可比擬的。太酸鋰電池電動(dòng)汽車配套設(shè)施的建設(shè)以及對(duì)電網(wǎng)的影響1、充電樁2、家用充電機(jī)3、充電過程對(duì)電網(wǎng)影響電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)(BMS) BMS 電池管理系統(tǒng)通過檢測(cè)電池的電壓、充放電電流和電池組溫度來(lái)估測(cè)電池的剩余電量（SOC），控制電池充放電均衡，并對(duì)電池組進(jìn)行熱管理和車載監(jiān)控系統(tǒng)、充電機(jī)進(jìn)行CAN通訊，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電，保障電池安全和延長(zhǎng)電池壽命。在BMS眾多功能中，以SOC估計(jì)、均衡控制和熱管理最為核心。鋰電池

8、組成：1、集流體：電池集流體既是與外電路的連接部分，也是正極材料載體，它本身是 金屬，電特性滿足歐姆定律，可等效為一定阻值純電阻2、正負(fù)極材料：正負(fù)極材料是參與電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，決定電池的電壓、容量 能量密度等特性。3、電解液：重要組成部分，承擔(dān)著在電池內(nèi)部的正負(fù)極之間傳輸離子的作用， 他對(duì)電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性等都有重要的 影響。鋰電池電解液采用具有比水更高分解電壓的溶劑。一般為有 機(jī)溶劑和電解質(zhì)鹽4、隔膜：主要作用是將電池的正負(fù)極隔開，使得電子不能通過電池的內(nèi)部電路 但不會(huì)阻礙離子在其中通過。隔膜本身對(duì)電子和離子是絕緣的， 會(huì)降低正負(fù)極之間離子電導(dǎo)，表現(xiàn)為一種電阻。當(dāng)電

9、池內(nèi)部出現(xiàn)過 熱等情況，隔膜能自動(dòng)閉孔，將電池的正負(fù)極斷開，起到保護(hù)作用。5、SEI膜：鋰離子電池在首次充電過程中不可避免地都要在碳負(fù)極與電解液的相 界面上發(fā)生反應(yīng)，形成覆蓋在碳電極表面的鈍化薄層，稱為SEI膜。 這種膜的作用表現(xiàn)為，消耗了電池內(nèi)的鋰離子，增加電阻，但此膜具 有有機(jī)溶劑不溶性，允許鋰離子比較自由進(jìn)出電極而溶劑分子無(wú)法穿越 提高電極循環(huán)壽命。6、相際：鋰電池主要參數(shù)：1、電壓2、容量3、荷電狀態(tài)（SOC）4、OCV-SOC曲線電池內(nèi)壓（OCV）和它的荷電狀態(tài)（SOC）具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱之為OCV-SOC曲線，對(duì)它的了解有助于SOC估算。影響鋰電池性能主要因素：溫度高可以提高電池

10、活性，但會(huì)降低其壽命。相關(guān)研究結(jié)論：電壓影響研究結(jié)論:電流影響相關(guān)結(jié)論：結(jié)論結(jié)論：希望鋰電池安全、高效、長(zhǎng)壽命工作就必須對(duì)鋰電池使用過程進(jìn)行管理，也就是對(duì)鋰電池使用過程中的電壓、電流、溫度進(jìn)行監(jiān)控。這就是為什么需要BMS的原因1、數(shù)據(jù)采集 2、SOC的估算3、電氣控制 4、安全管理和控制 5、熱管理6、數(shù)據(jù)通信 BMS主要功能BMS主要功能：1、SOC：表征電池剩余電量，SOC是判斷電池過充以及過放等一系列故障的 基礎(chǔ)，他的確定是BMS的重點(diǎn)，同時(shí)由于SOC在電池使用過程中表 現(xiàn)為高度非線性，準(zhǔn)確估計(jì)SOC具有很大難度。2、SOC估算方法：傳統(tǒng)方式：a、開路電壓b、內(nèi)阻法 c、安時(shí)法d、放電實(shí)

11、驗(yàn)法新算法：a、模糊邏輯算法b、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷模型 c、線性模型算法d、卡爾曼濾波估計(jì)模型傳統(tǒng)方法比較資料顯示各種智能卡爾曼濾波算法是當(dāng)前SOC主流算法對(duì)汽車BMS的SOC算法要求：1、必須實(shí)時(shí)在線估算2、不能存在累計(jì)誤差3、在初始估計(jì)值存在誤差的情況下， 能夠收斂到真實(shí)值附近任何一種單獨(dú)算法，都不能解決以上問題，需要多種方法綜合運(yùn)用才能取得比較好的結(jié)果電流、電壓數(shù)據(jù)采集：BMS的SOC精度除了與其本身算法有關(guān)，還與其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)單體電池電壓、回路電流精度有關(guān)。電壓采樣方法：1、電阻分壓采樣2、繼電器切換檢測(cè)方案3、集成芯片方式市場(chǎng)上類似的芯片還有很多種電流采樣：由于電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)不同，電池

12、組放電電流跨度比較大，為了提高電流采樣精度，一般采用多量程采用電路。溫度采樣：常用熱敏電阻（NTC）方式采樣，NTC響應(yīng)速度快，時(shí)滯小， 測(cè)量范圍 ,測(cè)量精度1度，只需進(jìn)行A/D采集即可。傳感器DS18B20一般來(lái)說，需要設(shè)置多個(gè)溫度探頭，才能檢測(cè)到電池包里真實(shí)溫度電池組均衡：由于單體電池個(gè)性不一致性，為了解決電池組的“木桶效應(yīng)”問題，需要對(duì)單體電池進(jìn)行均衡均衡方式：被動(dòng)式均衡方式主動(dòng)式均衡方式，電容或電阻飛度，控制電路復(fù)雜、長(zhǎng)時(shí)間使用電容值會(huì)發(fā)生變化。目前已經(jīng)有這種產(chǎn)品問世體積比較大分散式隔離型分布式均衡拓?fù)溥@種電路特點(diǎn)是：每個(gè)均衡電路都是一個(gè)帶隔離變壓器的buck-boost電路。優(yōu)點(diǎn)是均

13、衡效率高、開關(guān)器件上所承受的電壓高低與串聯(lián)級(jí)數(shù)多少無(wú)關(guān)，這種均衡結(jié)構(gòu)比較適應(yīng)于串聯(lián)電池組數(shù)量較大的場(chǎng)合；其主要缺點(diǎn)是電路中有較多磁性元件，體積大，容易互感，變壓器存在漏感，且難于將線圈保持完全一致。儲(chǔ)能電站均衡方案該電路的優(yōu)點(diǎn)是每一個(gè)開關(guān)可以同時(shí)是一個(gè)電池的放電回路和另一個(gè)電池的充電回路。只使用一個(gè)儲(chǔ)能電感，體積小，成本低。均衡目標(biāo)：一般分為三種：外電壓、最大可用容量、實(shí)時(shí)SOC以外電壓為均衡目標(biāo)的控制策略是在充放電過程中實(shí)時(shí)測(cè)量電池單體外電壓，對(duì)組內(nèi)電壓高的電池進(jìn)行放電，電壓低的電池進(jìn)行充電，由此調(diào)整電池組電壓趨于一致。這是目前應(yīng)用最廣泛的均衡法，其控制方式容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)算法要求不高，缺點(diǎn)是用

14、單一電壓均衡，均衡精度和效率難以保證，尤其對(duì)于并聯(lián)電池單體，無(wú)法應(yīng)用該策略均衡。其他兩種均衡目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，目前使用較少。絕緣檢測(cè)電動(dòng)汽車電壓高達(dá)300V，大巴車達(dá)到600V，由于車子本身使用狀態(tài)非常惡劣，為了人身安全，必須要進(jìn)行絕緣檢測(cè)。無(wú)源接地絕緣電阻檢測(cè)方法U表示電池組電壓分別表示電池正負(fù)直流母線與車身之間的絕緣電阻，在電池的正負(fù)直流母線與車身之間接入電阻分別為正負(fù)直流母線在電阻R和R上的壓降，S為電子開關(guān)。通過S1的通斷可以獲得兩組方程式：通過這兩組方程式就可以求解：此種方法有3個(gè)缺點(diǎn)：第二，從以上兩式可以看出，當(dāng)正負(fù)直流母線對(duì)地絕緣電阻值相等是，無(wú)解， 也就是無(wú)法計(jì)算出絕緣電阻

15、值第三，當(dāng)電池組開路或電池組總電壓過低時(shí)，由于無(wú)法測(cè)量到被測(cè)電阻的分 壓，無(wú)法得到絕緣電阻值有緣絕緣電阻檢測(cè)方法：該檢測(cè)方法是通過隔離變壓器分別給正負(fù)直流母線和車身之間注入直流高壓，通過單片機(jī)測(cè)量分壓電阻的壓降，通過分壓比的不同來(lái)計(jì)算正負(fù)直流母線對(duì)地絕緣電阻值此電路的工作方式如下：三、三、BMSBMS的發(fā)展趨勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì) 1、BMS的設(shè)計(jì)主要有如下技術(shù)難點(diǎn)：需要采集的數(shù)據(jù)量大，精度要求高；電池狀態(tài)的非線性變化嚴(yán)重制約了SOC的預(yù)測(cè)精度；內(nèi)部電路復(fù)雜，安全性差，抗干擾能力要求高 2、根據(jù)對(duì)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(dāng)?shù)乃惴▉?lái)正

16、確估算SOC，減小SOC的估算誤差，仍將是今后研究的重點(diǎn) 3、在BMS的安全管理和控制功能模塊設(shè)計(jì)中，如何解決電池自身的安全性問題，例如:實(shí)現(xiàn)電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對(duì)人體造成傷害，尤其是在沖力作用條件下（發(fā)生碰撞時(shí)）對(duì)電池安全性的控制等，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究 4、目前的很多BMS應(yīng)用某一類型的電池時(shí)效果很理想，但卻難以應(yīng)用到其它類型的電池上，甚至應(yīng)用在同種類型的不同廠商的電池，效果也會(huì)有一定的差異 四、本人所做的工作四、本人所做的工作在科技部、安徽省科技廳、教育廳資助下，開發(fā)第一代BMSBMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)物圖：首次提出了基于模塊化設(shè)計(jì)思想，每個(gè)模塊之間采用總線形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有系統(tǒng)的復(fù)雜程度降