電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

考慮到能源和環(huán)境，電動汽車在世界各國政府和主要汽車公司的共同推動下迅速發(fā)展，具有廣闊的市場前景。電池系統(tǒng)作為電動汽車的動力源,承擔(dān)電動汽車全部或者部分動力輸出,其性能優(yōu)劣直接影響電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程。電動汽車電池組在工作過程中常因充放電時間過長而產(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,而且減少了電動汽車的續(xù)駛里程,降低了整車性價(jià)比;同時若不能及時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,在整個電動汽車的研究和發(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)比對數(shù)據(jù)庫記錄,發(fā)出程序控制和變更指令;(4)將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示器,同時對應(yīng)的執(zhí)行模塊做出動作,對電池組進(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、電流信號和溫度信號。鋰離子電池對電壓和溫度比較敏感,因此必須采集每個單體電池電壓,采樣周期為1s,采集精度要達(dá)到0.1V;同時還要監(jiān)測單體電池溫度,采集周期為1s,采集精度為0.5℃;而對電流信號只需采集整個電池組的電流,采樣周期為1s,采集精度為1%。相對于鋰電池,鉛酸電池和氫鎳電池對電壓和溫度的采集精度沒那么高,只需對電池電壓和溫度成對或成組采集。(2)測試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,簡單;但該方法對電流的測量精度不高,隨著時間的推移,SOC累計(jì)誤差將會不斷加大;(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SOC。由于電池的內(nèi)阻受多方面的因素影響,因此測量結(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力系統(tǒng),SOC作為一個系統(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劇烈的混合動力汽車,缺點(diǎn)在于對系統(tǒng)處理速度要求較高。(3)鋰離子電池均衡控制策略電動汽車車用電池都是由多個電池組成的電池組,由于單個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,因此隨著使用時間的增加,單個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,并對電池單體電壓和能量進(jìn)行檢測,防止過充和過放。對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,電池能量和容量可以充分利用,但是電池壽命會縮短;溫度過低時,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,需要創(chuàng)造條件對電池組的工作溫度進(jìn)行主動式管理,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,-10~45℃;放電時,-30~55℃。鉛酸電池和氫鎳電池工作溫度范圍為:充電時,-10~50℃;放電時,-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,電池運(yùn)行時的相關(guān)信息需按要求上報(bào)。對于用在電動汽車電池管理系統(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)測試國外電動汽車的研究起步早,并且在電池管理方面做了大量的理論和實(shí)踐工作,為純電動汽車、混合動力汽車的車用電池研制出了配套的電池管理系統(tǒng)。美國在電動汽車電池管理系統(tǒng)研究領(lǐng)域一直走在世界的前列。美國Villanova大學(xué)和USNanocorp公司合作較早地對電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測。美國的TheuniversityofToxed大學(xué)最早提出了BMS系統(tǒng)。目前美國比較成熟電池管理系統(tǒng)有:通用公司電動汽車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個鉛酸蓄電池串聯(lián)組成,能監(jiān)測單體電池的電壓,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,德國是電動汽車發(fā)展較快的國家,比較成熟的電池管理系統(tǒng)有德國MentzerElectronicGmbh和WernerRetzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOACH系統(tǒng)和德國的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)。BADICHEQ系統(tǒng)由26個蓄電池組成,能夠采集電流、溫度和電壓信號,同時具有數(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量每個電池單元的電壓,并通過一條信號線將各個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)存儲方面可存儲24個充放電周期的數(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)是將不同型號動力電池組做成一個系統(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)對不同型號電池組的管理。日本青森工業(yè)研究中心從1997年至今一直在堅(jiān)持對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的研究。韓國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以及與電動機(jī)控制器的通信),從而實(shí)現(xiàn)能量汽車制動反饋和最大功率控制。韓國還研制出了SAMSUNGSDI電池管理系統(tǒng)由檢測單元、微處理器、電池單體和平衡單元組成,能夠同時監(jiān)測40個單體電池電流、電壓和溫度信號,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)測模塊和平衡模塊組成,能夠監(jiān)測電池組溫度和電壓,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)國內(nèi)電動汽車電池管理的研究起步較晚,但在國家“十一·五”規(guī)劃和“863”計(jì)劃的推動下,至2011年,我國在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、電池充放電電流的檢測、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)時參數(shù)檢測、故障診斷、危險(xiǎn)信號報(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)對電池的充電及放電信息進(jìn)行采集,通過對采集數(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,延長了電池壽命。比亞迪股份有限公司為混合動力轎車及純電動轎車設(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。長安汽車股份有限公司為混合動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、溫度檢測模塊、風(fēng)扇控制模塊、電池容量檢測模塊和管理模塊組成,具有檢測電池電壓和溫度、均衡管理、熱管理、過放電保護(hù)等功能。3電池管理系統(tǒng)及動力電池組與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車相比,電動汽車發(fā)展時間還較短,許多技術(shù)還不成熟。電池管理系統(tǒng)作為電動汽車關(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SOC的預(yù)測精度又被電池狀態(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)確估測電動汽車蓄電池的SOC狀態(tài)仍將是后期研究的重點(diǎn)。(2)電池管理系統(tǒng)中的動力電池組是由多個單體電池串聯(lián)組成的電池模塊,由于動力電池組中單個電池容量的不一致,通過若干次充放電循環(huán)后電池組會失衡,嚴(yán)重影響動力電池組的效率與安全。如何采用均衡充電予以補(bǔ)償,保持每個電池容量的相對一致,設(shè)計(jì)出低成本的電池均衡系統(tǒng)是電動汽車是否能夠產(chǎn)業(yè)化的重要因素。(3)對動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)和對系統(tǒng)異常報(bào)警技術(shù)外,同時還需要加強(qiáng)對異常情況的及時處理,如充放電突然增大或電池?fù)p壞。(4)目前的很多國內(nèi)外比較成型的BMS