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純電動(dòng)汽車電池管理的開發(fā)與應(yīng)用
日期：2025-04-29 15:16
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摘要：
純電動(dòng)汽車電池管理的開發(fā)與應(yīng)用
簡(jiǎn)要介紹了搭載磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)與整車的關(guān)系，分析了磷酸鐵鋰電池的充放電特性，闡述了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于電池電量(SOC)的估算做出闡述。
1 引言
隨著汽車產(chǎn)量的大幅提升，汽車能源問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，汽車也需要有一種可移動(dòng)能源。隨著電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電池作為可移動(dòng)能源為電動(dòng)汽車的能源問(wèn)題提供了一種可行方案。
目前，還沒(méi)有任何一種單體電池可為電動(dòng)汽車提供足夠的功率需求。電池管理系統(tǒng)（BMS）正是電池成組技術(shù)的典型應(yīng)用。車輛是一運(yùn)行工況極其復(fù)雜的設(shè)備，同時(shí)又具有搭載乘客的可靠要求，因而電池應(yīng)用于車輛上必須考慮高壓可靠、可靠、舒適等多種要求。目前國(guó)內(nèi)汽車級(jí)電力功率器件受到工藝及材料性能的限制，轎車用的動(dòng)力電池電壓約為330V，要獲得如此高的電壓就必須依賴于電池成組技術(shù)。同時(shí)對(duì)于電動(dòng)汽車電子元器件的選型較為苛刻，要保證可靠特性，還需依賴于車內(nèi)通訊系統(tǒng)，使得車內(nèi)各設(shè)備協(xié)調(diào)地工作于各自的可靠工作區(qū)。電池及電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的三大核心技術(shù)之一，BMS 的技術(shù)難點(diǎn)在于電池電量SOC、電池循環(huán)壽命SOH、較大充放電電流的計(jì)算及絕緣電阻的監(jiān)測(cè)。
2 電池管理系統(tǒng)與整車關(guān)系
電動(dòng)汽車內(nèi)與動(dòng)力傳動(dòng)相關(guān)的部件包括點(diǎn)火鎖、接線盒（High Voltage Box）、整車控制器（Vehicle Control Unit）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（TM）、電機(jī)控制器（Power Control Unit）、直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）、電池（Battery）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、車載充電器（On Board Charger）等。其中電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、整車控制器、車載充電器可作為收發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)CAN 總線連接，各節(jié)點(diǎn)可經(jīng)過(guò)相互通訊知曉其它部件工作狀態(tài)，以使整車系統(tǒng)處于高效可靠的工作狀態(tài)。
2.1 電池管理系統(tǒng)組成及工作狀況
電池管理系統(tǒng)一般包括有電池單體電壓、溫度信號(hào)采集模塊（BMU 模塊）、總電流及總電壓信號(hào)采集模塊（UI 模塊）、參與與整車的通訊模塊（模塊一）、高壓接觸器控制及電池均衡模塊（模塊二）。高壓接觸器包括B+接觸器、B-接觸器、預(yù)充接觸器、直流轉(zhuǎn)換器（用于向低壓鉛酸電池及車載低壓設(shè)備供電） 接觸器及車載充電器接觸器。均衡功能包括電池單體電壓及溫度均衡兩方面，附帶有監(jiān)測(cè)并響應(yīng)碰撞及電池滲漏的功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到影響可靠的信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)則立即切斷高壓電供給。BMU 主要用于采集電池單體的電壓及溫度等信息，通過(guò)相應(yīng)接口上傳至模塊二，經(jīng)過(guò)控制策略算法，實(shí)現(xiàn)各接觸器的動(dòng)作，從而使電池管理系統(tǒng)進(jìn)入不同的工作模式。
2.2 工作模式
電池管理系統(tǒng)可工作于5種工作模式下：下電模式、準(zhǔn)備模式、放電模式、充電模式及故障處理模式。
（1）下電模式
下電模式是整個(gè)系統(tǒng)的低壓與高壓部分處于不工作狀態(tài)的模式。在下電模式下，電池管理系統(tǒng)控制的所有高壓接觸器均處于斷開狀態(tài)；低壓控制電源處于不供電的狀態(tài)。下電模式屬于省電模式。
（2）準(zhǔn)備模式
準(zhǔn)備模式下，系統(tǒng)所有的接觸器均處于未吸合狀態(tài)。在該模式下，系統(tǒng)可接受外界的點(diǎn)火鎖、整車控制器、電機(jī)控制器、充電插頭開關(guān)等部件發(fā)出的硬線信號(hào)或受CAN 報(bào)文控制的低壓信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制各高壓接觸器，從而使電池管理系統(tǒng)進(jìn)入所需工作模式。
（3）放電模式
當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到點(diǎn)火鎖的高壓上電信號(hào)Key_ST 信號(hào)后，系統(tǒng)將首先閉合B-接觸器，由于電機(jī)是感性負(fù)載，為防止過(guò)大的電流沖擊，B-接觸器閉合后，即閉合預(yù)充接觸器進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)；當(dāng)預(yù)充電容兩端電壓達(dá)到母線電壓的90%時(shí)，立即閉合B+接觸器并斷開預(yù)充接觸器進(jìn)入放電模式。
目前轎車常用的低壓電源由-12V 鉛酸蓄電池提供，不僅可為低壓控制系統(tǒng)供電，還需為助力轉(zhuǎn)向電機(jī)、雨刮電機(jī)、可靠氣囊及后視鏡調(diào)節(jié)電機(jī)等提供電源。為保證低壓蓄電池能持續(xù)為整車控制系統(tǒng)供電，低壓蓄電池需有充電電源，而直流轉(zhuǎn)換接觸器的開啟即可滿足這一需求。
因此，當(dāng)電池系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，打開B+接觸器后即閉合直流轉(zhuǎn)換器接觸器，以保證低壓電源持續(xù)供電。
（4）充電模式
當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)充電喚醒信號(hào)Charge Wake Up時(shí)，系統(tǒng)即進(jìn)入充電模式。在該模式下B-接觸器與車載充電接觸器閉合，同時(shí)為保證低壓控制電源持續(xù)供電，直流轉(zhuǎn)換接觸器需處于工作狀態(tài)。
充電模式下，系統(tǒng)不響應(yīng)點(diǎn)火鎖發(fā)出的任何指令，充電插頭帶來(lái)的充電喚醒信號(hào)可作為充電模式的判定依據(jù)。
低溫下磷酸鐵鋰電池下不具有很好的充電特性，甚至伴隨有一定的危險(xiǎn)性?；诳煽康目紤]，還應(yīng)在系統(tǒng)進(jìn)入充電模式之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次溫度判別。當(dāng)電池溫度低于0℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入充電預(yù)熱模式，此時(shí)可通過(guò)接通直流轉(zhuǎn)換接觸器對(duì)低壓蓄電池供電，并為預(yù)熱裝置供電以對(duì)電池模組預(yù)熱；當(dāng)電池包內(nèi)的溫度高于0℃時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)入充電模式，即閉合B-接觸器。
無(wú)論在充電狀態(tài)還是在放電狀態(tài)，電池的電壓不均衡與溫度不均衡將極大地妨礙電池性能的發(fā)揮。在充電狀態(tài)下，極容易出現(xiàn)電壓、溫度不均衡的狀態(tài)，充電過(guò)程中可通過(guò)電壓比較及控制電路，使得電壓較低的單體電池充電電流增大，而讓電壓較大的電池單體充電電流較小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓均衡的目的。溫度的不均勻性也將大大降低電池包的使用壽命。當(dāng)電池單體溫度傳感器監(jiān)測(cè)出各單體電池溫度不均衡時(shí)，可選用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，實(shí)現(xiàn)電池包內(nèi)氣流的循環(huán)流動(dòng)，以達(dá)到溫度均衡的目標(biāo)。
（5）故障模式
故障模式是控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)的一種狀態(tài)。由于車用電池的使用關(guān)系到用戶的人身可靠，因而系統(tǒng)對(duì)于各種相應(yīng)模式總是采取“可靠**”的原則。電池管理系統(tǒng)對(duì)于故障的響應(yīng)還需根據(jù)故障等級(jí)而定，當(dāng)其故障級(jí)別較低，系統(tǒng)可采取報(bào)錯(cuò)或發(fā)出輕微報(bào)警信號(hào)方式告知駕駛?cè)藛T；而當(dāng)故障級(jí)別較高，甚至伴隨有危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)將采取斷開高壓接觸器的控制策略。
電壓蓄電池是整車控制系統(tǒng)的供電來(lái)源。無(wú)論是處于充電模式、放電模式還是故障模式，直流轉(zhuǎn)換接觸器的閉合都可使得低壓蓄電池處于充電模式，從而低壓控制系統(tǒng)正常工作。
3 電池主要參數(shù)及充放電特性
電池主要參數(shù)包括：容量、SOC、SOH、單體電壓、充放電過(guò)程中電池的較高及*低溫度、絕緣電阻、充放電電流、總電壓等。
目前較為理想的車用電池正極材料為磷酸鐵鋰，這一類型電池可表現(xiàn)出常溫下具有較長(zhǎng)的使用壽命和相對(duì)較大的充放電倍率能力，而在高低溫狀態(tài)下卻無(wú)法表現(xiàn)出較為優(yōu)越的性能，在較高和較低溫度下進(jìn)行大電流充放電時(shí)的可靠性無(wú)法得到保證，因而在低溫環(huán)境下對(duì)電池進(jìn)行充放電時(shí)需進(jìn)行預(yù)熱處理，一般來(lái)說(shuō)磷酸鐵鋰電池的*佳工作溫度范圍0℃為~50℃。鋰離子電池的深度充放電會(huì)直接影響使用壽命，因而應(yīng)盡量保證電池處于淺充放電狀態(tài)。
電池SOC 值隨單體電壓值變化的總趨勢(shì)為SOC 值隨單體電壓值的增加而增加。但在SOC 值為20%~85%范圍的電壓值變化并不明顯，利用安時(shí)積分法估算電量時(shí)，由于每一時(shí)刻充放電效率及累計(jì)誤差都無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)，因而很難獲得**的SOC 值。
充電狀態(tài)下，電量隨電壓的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，為防止電池過(guò)充，當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時(shí)，充電器接觸器即斷開。由于電荷累計(jì)效應(yīng)的影響，電池電壓又會(huì)有小幅度回落。
放電狀態(tài)下，磷酸鐵鋰電池的單體電壓值隨著SOC的減小而降低。為防止電池的過(guò)放電，當(dāng)電池端電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，B+接觸器即斷開，同樣由于電荷累積效應(yīng)，電壓隨后又有小幅度回升。
無(wú)論電池處于充電還是放電狀態(tài)，在電量值為20%~85%范圍內(nèi)，SOC 值的計(jì)算以安時(shí)積分法為主，輔助以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法。在0%~20%與85%~100%范圍內(nèi)采用電壓修正法估算。通常這種方式下的SOC 的計(jì)算精度可控制在5%以內(nèi)。
SOH 是用于表征電池工作是否可正常工作的一個(gè)重要指標(biāo)。電池健康狀況將直接關(guān)系電池性能。當(dāng)SOH 狀態(tài)較差時(shí)，電池可能已經(jīng)處于失效狀態(tài)。
電池包失效的方式包括電池單體電壓波動(dòng)較大和電池包蓄電容量急劇下降兩種。單體電池失效常出現(xiàn)充電瞬間充滿，放電又瞬間放完的現(xiàn)象。SOH 與電池單體的狀態(tài)關(guān)系極其密切。單體的容量驟然下降也將導(dǎo)致整個(gè)電池包的儲(chǔ)電容量急劇下降。
絕緣電阻是反映電池用電可靠的重要方面，絕緣電阻的監(jiān)測(cè)可通過(guò)分別測(cè)量電池正負(fù)極到車身的電阻值R1和R2，將二者相加即為絕緣電阻值。根據(jù)人體所能承受的電壓范圍，當(dāng)監(jiān)測(cè)到絕緣電阻小于500Ω/V 時(shí)，電池管理系統(tǒng)即對(duì)駕乘人員做出可靠警告或做出切斷高壓繼電器動(dòng)作。
電池在不同的SOC 狀態(tài)下可提供的較大充放電能力不同。從圖中可以看出，剩余電量較高時(shí)，較大可放電能力較強(qiáng)，表現(xiàn)為大電流放電時(shí)，電池電壓下降不明顯。而此時(shí)的較大可充電能力較弱。當(dāng)電池電量較低時(shí)，較大可放電能力較弱，而較大可充電能力較強(qiáng)。二者在任何電量狀態(tài)下均呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。
4 結(jié)論
本文簡(jiǎn)要介紹了電池的重要工作特性，并根據(jù)這些特性闡述了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，作為電動(dòng)汽車構(gòu)造上極為重要的組成部分，電池管理系統(tǒng)需要參與整車通訊。對(duì)電池管理系統(tǒng)的幾種工作模式做了簡(jiǎn)要分析，同時(shí)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)及闡述說(shuō)明了電池的重要充放電工作特性。車用電池管理系統(tǒng)較大要**可靠的要求，文章將電池所能遇到的一些極端工況做了簡(jiǎn)要分析及說(shuō)明，同時(shí)給出了簡(jiǎn)要的控制處理策略，因而本文所提出的方案對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。
