電池管理系統(tǒng)研究報(bào)告

電池管理系統(tǒng)匯報(bào)匯報(bào)人：王傳進(jìn)日期：2月目 錄TOC\o"1-3"\h\u21068一BMS概況 215391.1BMS發(fā)展背景 2224741.2BMS發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況 3327391.2.1國(guó)外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)實(shí)狀況 3170851.2.2國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)實(shí)狀況 49二電池管理系統(tǒng)研究要點(diǎn) 5239482.2SOC的估算 5196592.3電池的均衡管理 6204082.4電池的數(shù)據(jù)采集 786072.5電池的熱管理 830161三電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 819894四總述 10BMS概況BMS稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)，與動(dòng)力電池，整車(chē)控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了電動(dòng)汽車(chē)三大關(guān)鍵技術(shù)。由于其在電動(dòng)汽車(chē)的具有特有的重要性，越來(lái)越受到電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)內(nèi)及國(guó)家政策層面的關(guān)注。鋰電池應(yīng)用于小型消費(fèi)產(chǎn)品時(shí)，以單體電池的形式存在，而在電動(dòng)自行車(chē)，電動(dòng)摩托車(chē)，HEV（混合動(dòng)力汽車(chē)）,PHEV（插電式混合動(dòng)力車(chē)）,BEV（純電動(dòng)車(chē)）中應(yīng)用時(shí)，其規(guī)定的容量也逐漸增大，需要通過(guò)串并聯(lián)的形式構(gòu)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)，以防止單體電池出現(xiàn)損壞，影響整個(gè)電池性能。BMS發(fā)展背景由于動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池市場(chǎng)的擴(kuò)張，BMS的需求也迅速擴(kuò)大，目前國(guó)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性能的提高，是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，直接決定新能源汽車(chē)的推廣。在我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，發(fā)展新能源汽車(chē)已是大勢(shì)所趨。并且，國(guó)家已把新能源汽車(chē)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)，著力突破動(dòng)力電池，電子控制領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)混合動(dòng)力汽車(chē)，純動(dòng)力汽車(chē)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)我國(guó)國(guó)建汽車(chē)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的規(guī)定，選擇新一代電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)作為國(guó)家汽車(chē)科技創(chuàng)新的研究主題。我國(guó)公布《汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興計(jì)劃》確定發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模目的，公布《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出在未來(lái)以整車(chē)為重要方向，帶動(dòng)與新能源汽車(chē)有關(guān)的動(dòng)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(kāi)始電池管理系統(tǒng)的研發(fā)，形成不一樣車(chē)型的，不一樣構(gòu)造的電池管理系統(tǒng)。起，北京航空航天大學(xué)開(kāi)始對(duì)電池系統(tǒng)的研發(fā)工作；北京理工大學(xué)為北方客車(chē)研制了以單片機(jī)為關(guān)鍵的鉛酸電池管理系統(tǒng)；比亞迪生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車(chē)采用了分布式管理系統(tǒng)，其電池管理系統(tǒng)可以對(duì)動(dòng)力電池組的總電壓，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(chē)也采用分布式管理系統(tǒng)，電池組為多種電池摸組，使用CAN總線(xiàn)和遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行通訊；長(zhǎng)安汽車(chē)也為其混合動(dòng)力汽車(chē)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(gè)重要系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓的采集，并能對(duì)單體電池進(jìn)行熱管理，故障診斷，報(bào)警等。BMS發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況目前為止，世界各大汽車(chē)集團(tuán)企業(yè)都已在電動(dòng)汽車(chē)上投入大量資金，并研制出多種電動(dòng)汽車(chē)，國(guó)內(nèi)伴隨國(guó)家十五計(jì)劃“863”電動(dòng)汽車(chē)科研專(zhuān)題的進(jìn)行，全國(guó)各地也在如火如荼的進(jìn)行。國(guó)外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)實(shí)狀況國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展比較早，在車(chē)載電池管理系統(tǒng)上做了大量試驗(yàn)和理論成果。其中，美國(guó)的福特，通用及日本的豐田等為其小批量生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)配套的車(chē)載電池管理系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)相稱(chēng)高的精度和水平。國(guó)外重要進(jìn)行如下工作：SOC的測(cè)量。國(guó)外有關(guān)SOC的測(cè)量大多通過(guò)測(cè)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(jiǎn)接測(cè)出電池的SOC值，常用的措施有開(kāi)路電壓法，容量合計(jì)法，電池內(nèi)阻法等。電池的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。電池運(yùn)行狀態(tài)的好壞關(guān)系到整個(gè)電動(dòng)車(chē)輛的運(yùn)行性能，由于運(yùn)行電池的性能不能直接觀測(cè)，需要通過(guò)電池的外電壓，電流，溫度等參數(shù)判斷其運(yùn)行與否正常。常用的措施是設(shè)計(jì)電池模糊診斷系統(tǒng)，通過(guò)模糊診斷系統(tǒng)判斷電池的運(yùn)行狀態(tài)，不過(guò)由于模糊診斷過(guò)程緩慢，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成。熱平衡管理。環(huán)境溫度對(duì)電池的性能產(chǎn)生很大的影響，高溫低溫對(duì)電池的容量都不利。美國(guó)研究這發(fā)現(xiàn)，Ni-MH電池在-22°C時(shí)還可以提供靠近其設(shè)計(jì)容量的能量，但總電壓下降9.2%，總電壓波動(dòng)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(dòng)增長(zhǎng)30.3%。SOC的波動(dòng)引起總電壓的減少對(duì)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(duì)電池的壽命產(chǎn)生不可恢復(fù)的致命影響。國(guó)外電池管理系統(tǒng)比較有代表性的有：德國(guó)MentzerUlectronicGmbh設(shè)計(jì)的BADICHUQ系統(tǒng)；美國(guó)通用設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironment企業(yè)開(kāi)發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)實(shí)狀況伴隨國(guó)家“863”項(xiàng)目確實(shí)立，電池管理系統(tǒng)已經(jīng)成為我國(guó)科研人員研究的熱點(diǎn)，并已經(jīng)有多種管理系統(tǒng)問(wèn)世，我國(guó)有關(guān)電池管理系統(tǒng)的研究是在學(xué)習(xí)國(guó)外已經(jīng)有的成果基礎(chǔ)上的創(chuàng)新成果。國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)放在SOC確實(shí)定，判斷電池放電中斷的措施和行車(chē)充電器的設(shè)計(jì)。目前在我國(guó)電池管理系統(tǒng)研發(fā)靠在前沿的企業(yè)重要有如下多家：上海妙益電子科技發(fā)展有限企業(yè)。成立于，開(kāi)始致力于電動(dòng)汽車(chē)，儲(chǔ)能基站等電源管理系統(tǒng)的研發(fā)，生產(chǎn)和銷(xiāo)售，是國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先，市場(chǎng)擁有率高的電動(dòng)汽車(chē)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(cè)量，能量可控均衡，語(yǔ)音報(bào)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(chē)身總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shì)。深圳市科列技術(shù)有限企業(yè)。成立于，企業(yè)專(zhuān)注于純電動(dòng)客車(chē)，混合動(dòng)力客車(chē)，純電動(dòng)乘用車(chē)及純電動(dòng)特等車(chē)不一樣領(lǐng)域鋰電池所需管理系統(tǒng)的研發(fā)和銷(xiāo)售。其研發(fā)帶有“積極均衡，無(wú)線(xiàn)傳播”關(guān)鍵技術(shù)功能的BMS產(chǎn)品可以明顯處理鋰電池動(dòng)力電池組不一致的問(wèn)題，其“高壓管理”技術(shù)到達(dá)國(guó)內(nèi)絕緣監(jiān)測(cè)等級(jí)最高，高達(dá)1000V母線(xiàn)漏電監(jiān)測(cè)?；葜菔袃|能電子有限企業(yè)。BMS重要型號(hào)有EV01,EV02,EV03,EV04,EV05系列。EV02重要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，采用分布式系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)造，每個(gè)管理系統(tǒng)均有一種主控單元，多種監(jiān)測(cè)單元；EV03重要應(yīng)用于純電動(dòng)商用車(chē)和混合動(dòng)力乘用車(chē)電池系統(tǒng)，采用分散式構(gòu)造，由主控單元，高壓監(jiān)測(cè)單元和若干個(gè)從控單元構(gòu)成。其他尚有如：新能源科技有限企業(yè)，東莞鋸?fù)履茉从邢奁髽I(yè)，寧波拜特測(cè)控技術(shù)有限企業(yè)，深圳市超思維電子股份有限企業(yè)，北京海博思科技有限企業(yè)，北京華盛源通科技有限企業(yè)等。從以上可看出，電池管理系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展也是如火如荼，有些企業(yè)已經(jīng)獲得了不菲的成果，并且，在市場(chǎng)銷(xiāo)售方面占有很大的份額。電池管理系統(tǒng)研究要點(diǎn)目前基于電池管理系統(tǒng)的研究重要波及的技術(shù)要點(diǎn)有SOC的估算，單體電池的均衡管理，電池?zé)峁芾?，?shù)據(jù)采集的對(duì)的采集。其框圖如下所示：關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)框圖SOC的估算SOC即電池的荷電狀態(tài)，其計(jì)算體現(xiàn)式SOC,SOC是動(dòng)力電池必須實(shí)行監(jiān)測(cè)的參數(shù)，SOC是決定動(dòng)力電池能量流行和分派方略的重要根據(jù)，是保證動(dòng)力電池安全運(yùn)行的重要參數(shù)。在低SOC下的過(guò)放電及在高SOC下的過(guò)充電都會(huì)導(dǎo)致電池性能的下降，乃至導(dǎo)致安全事故。動(dòng)力電池工作在充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換及其頻繁的狀況下，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的精確性。目前常用的SOC估算法重要有放電試驗(yàn)法，開(kāi)路電壓法，安時(shí)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受到多方面原因的綜合影響，不能僅僅考慮使用某個(gè)原因而去估算SOC的值，這樣將會(huì)使所測(cè)得值遠(yuǎn)離SOC的實(shí)際值，將會(huì)給監(jiān)控狀態(tài)帶來(lái)隱患。通過(guò)資料的查閱目前以有些研發(fā)人員采用的算法，如下2種為例闡明：開(kāi)路電壓與安時(shí)積分相結(jié)合。根據(jù)開(kāi)路電壓法估算初始時(shí)刻SOC0，再通過(guò)安時(shí)積分法得到，再根據(jù)健康狀況及溫度修正SOC0與得到，，得屆時(shí)刻SOC即：，Kt溫度修正系數(shù)，Ki電流修正系數(shù)。采用卡爾曼濾波法。首先建立電池的狀態(tài)方程和測(cè)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(cè)量方程根據(jù)SOC，電流i，內(nèi)阻R等原因與電池負(fù)載y之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。而后，在不一樣條件下，運(yùn)用單脈沖，復(fù)合脈沖充放電試驗(yàn)，再通過(guò)最小二乘法對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。最終，運(yùn)用辨識(shí)所得的測(cè)量方程模型，采用卡爾曼遞推濾波法對(duì)SOC進(jìn)行估算，并對(duì)SOC進(jìn)行修正。電池的均衡管理對(duì)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也許流向分為單相均衡和雙向均衡；均衡過(guò)程中電路對(duì)能量的耗散狀況分類(lèi)分為耗散型和非耗散型；按均衡電路方式分為被動(dòng)均衡電路和積極均衡電路；按均衡電路的拓?fù)錁?gòu)造分為集中式均衡和分布式均衡，這些分類(lèi)不是獨(dú)立存在，而是互相交叉，互相依存。耗散型均衡通過(guò)指定電池組中的單體電池并聯(lián)，在某個(gè)單體電池的電壓出現(xiàn)偏高時(shí)自消耗放電，從而平衡電池組內(nèi)各單體間容量差，到達(dá)均衡目的。耗散型均衡充電法圖2-1所示，運(yùn)用單體電池旁路電阻進(jìn)行自動(dòng)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。非能耗型均衡充電措施采用電容，電感作為儲(chǔ)能元件，運(yùn)用電源變換電路采用集中或分散式的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)單向或雙向充電。充電時(shí)，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，電路構(gòu)造復(fù)雜。目前，非能耗均衡電路重要包括續(xù)流電感均衡電路，開(kāi)關(guān)電容均衡電路，逆變分壓均衡電路等。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的管理系統(tǒng)中，被動(dòng)均衡是最常見(jiàn)的均衡充電措施，稱(chēng)為電阻能耗式，屬于耗能型均衡方式。其重要布局，每節(jié)電池都通過(guò)一種開(kāi)關(guān)與一種功率電阻并聯(lián)，串聯(lián)中電池單元的電壓值通過(guò)差分測(cè)量，通過(guò)電路被單片機(jī)測(cè)得。被動(dòng)均衡的長(zhǎng)處電路簡(jiǎn)樸，成本較低，但其只能做充電均衡，同步，在充電均衡中，多出的能量以熱量的形式釋放，使得整個(gè)系統(tǒng)的效率低，功耗高。目前市場(chǎng)上提供的均衡方案基本是被動(dòng)均衡。積極均衡，屬于無(wú)耗能均衡方式，充電時(shí)，不把電壓較高的電池能量通過(guò)電阻消耗掉，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。積極均衡又分為集中式積極均衡和分散式積極均衡，集中式積極均衡是向整組電池獲取能量，通過(guò)電能轉(zhuǎn)換裝置向能量少的電池補(bǔ)充能量；分散式積極均衡是在相鄰電池間存在一種儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，儲(chǔ)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(dòng)，能量多可以將能量傳遞到能量少的電池。電池的數(shù)據(jù)采集車(chē)載動(dòng)力電池一般由諸多單體電池串聯(lián)構(gòu)成，總電壓36V到800V。電池管理系統(tǒng)需要測(cè)量所有單體電池電壓，分組溫度和總電壓電流信號(hào)，并且信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，共模電壓大，數(shù)量多，輕易被干擾。這些信號(hào)是SOC估算，充放電均衡，過(guò)沖過(guò)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(jì)的關(guān)鍵，必須保證數(shù)據(jù)的精確性，可靠性，抗干擾性。電池的溫度是評(píng)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，假如電池溫度太高，也許導(dǎo)致電池的破壞。成組的使用電池，單體間的溫度差異會(huì)導(dǎo)致充放電的不均衡，導(dǎo)致電池壽命減少，因此合理設(shè)計(jì)溫度的采集是很重要的。電流是電池容量估計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)電流采集的精度，抗干擾能力，零飄，溫飄和線(xiàn)性度誤差的規(guī)定很高，電流采集的精度不夠，會(huì)直接導(dǎo)致SOC的累積誤差明顯增大，對(duì)電池狀態(tài)的監(jiān)控帶來(lái)誤判。因此，要合理設(shè)計(jì)電流的采集是一項(xiàng)重要技術(shù)。電池的端電壓測(cè)量，對(duì)單個(gè)電池電壓的測(cè)量不是很難，關(guān)鍵是對(duì)電池組中串聯(lián)在一起的單電池電壓測(cè)量。電池的熱管理電池?zé)崦枋鲭姵厣鸁幔瑐鳠?，散熱的?guī)律，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算電池的溫度變化；不僅可認(rèn)為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供先導(dǎo)，還能為電池電熱性能提供根據(jù)。電動(dòng)汽車(chē)處在工作狀態(tài)的電池組自身是熱源。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(dòng)汽車(chē)組的生熱散熱過(guò)程是一種經(jīng)典的非穩(wěn)態(tài)過(guò)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(zhǎng)電池壽命的重要原因。電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案目前電池管理系統(tǒng)重要實(shí)現(xiàn)的功能重要有：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示，狀態(tài)估計(jì)，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：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(jì)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)熱管理控制方略進(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(chē)控制器，電機(jī)控制器等車(chē)載設(shè)備及上位機(jī)等非車(chē)載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的互換。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(shí)及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行斷路緊急處理。能量管理系統(tǒng)對(duì)電池充放電進(jìn)行控制，對(duì)電池組內(nèi)單體或模塊進(jìn)行電量均衡。故障診斷指及時(shí)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)的關(guān)鍵是由單片機(jī)來(lái)控制的。重要構(gòu)成原理圖如下3-2所示：電池管理系統(tǒng)原理圖目前有種設(shè)計(jì)方案