新型電動汽車鋰電池管理系統的研究與實現 — 車載電池管理系統研究現狀

2.1電動汽車研究狀況及車載電池管理系統的重要性

在電動汽車族中首先發展起來的是純電動汽車（EV），它的能源完全由車載的電池組提供，目前由于受電池成本高、續駛里程短、充電設施不足的限制，它完全走向市場化還有一定距離。混合電動車（HEV）是電動汽車研制中的后起之秀，它綜合了傳統汽車引擎驅動與電機驅動的兩大優點，HEV的主要能源仍然是汽油、柴油燃料，電池組的能量主要用在汽車啟動、爬坡行駛時為汽車提供輔助動力；在剎車時，電動機處于發電狀態，能量回收到電池組中。傳統汽車相當多的污染是在啟動時由發動機產生的，因此HEV既解決了大部分的環境污染問題，又不受EV的行駛里程的限制，而且還降低了能耗，提高了汽車的效率和自動化程度。另一方面，HEV上配備的電池容量和重量都要比EV小得多，其電池成本大幅度降低，目前已小批量生產銷售近20萬輛。

對電動汽車研究開展得比較早的研究機構、公司多集中在美、日、歐等發達國家。轎車車體的研發主要是集中在2～5座的轎車上；電池以前多采用鉛酸電池，現在則用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池；驅動電機既有直流電機，也有交流電機，電機連續功率多在15KW～50KW之間；快速充電方法及制動能量回收方法的研究也有很大的進展。

目前國內多家汽車廠也已開展了電動汽車的研制和開發，“九五”期間，東風汽車公司聯合多家單位成功研制出了一輛電動概念車。“十五”期間，國家已投入大量人力、物力進行對電動車的研制開發。本論文課題就是結合國家“863”混合電動汽車項目展開研究和試驗工作的。

針對純電動汽車，電池管理系統不僅能夠正確監測使用過程中消耗的電池能量，而且能夠預測電池所剩余的電量即剩余電量，并根據汽車的當前行駛工況，預測汽車的續駛里程，這樣可減輕駕駛員的心理負擔，以避免半路拋錨。而對于混合電動汽車，電池管理系統不僅要監測電池的剩余電量SOC，還要預測電池的功率強度，以便監控電池的使用工況，在汽車啟動和加速時提供足夠的輸出功率，剎車時電池組能回收更多的能量即提供足夠的輸入功率，并且不對電池組造成傷害。電池的剩余電量直接決定EV的最大續駛里程；而電池的功率強度則直接影響HEV的加速性能，對他們的狀態估計是電動汽車發展的關鍵技術之一。

電動車上的電池一般都是采用多個電池串聯使用的，串聯使用的電池的充放電和單體電池的充放電過程相比較要復雜的多，主要原因就是在電池組內電池的不一致性。電池的不一致性會嚴重影響電動汽車的性能，因此對單體電池進行均衡也十分重要。

當電池出現過充或過放等異常情況時，電池的專家診斷系統給出報警信號并對充電機或用電設備給出控制信號，同時建立電池的歷史檔案，根據這些歷史檔案給出每個電池的健康狀態即維護信息，起到電池保健醫生的作用。

總之，電池管理系統是一個處于監控運行及保護電池關鍵技術中的核心地位，能給出剩余電量和功率強度預測、進行智能充電和電池診斷安全等功能集合的綜合系統。

2.2國外電池管理系統研究狀況

隨著近十年來電動汽車研究和使用的不斷升溫，國外一些大的汽車生產商和電池供應商針對各種電池作了大量研究及試驗，總結出電池的數學模型，并成功開發出許多電池管理系統裝在車上試用。比較有代表性的有：德國Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設計的BADICHEQ系統及BADICOaCH系統；德國的B.Hauck設計的BATTMAN系統；美國通用汽車公司生產的電動汽車EV1上的電池管理系統；美國Aerovironment公司開發的SmartGuard系統（Long——Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國AC Propulsion公司開發的名為BatOpt的高性能電池管理系統；日本豐田的混合車用系統。

電動汽車的蓬勃發展為相關的電池電子技術的發展提供了巨大的契機。電池電子技術就是針對電池這樣一個復雜的電化學系統，依托于電力電子技術、單片機技術、智能控制與模糊邏輯和電化學科學等相關學科而興起的新應用技術領域分支。電池電子技術的目標就是將電池應用推向一個更高的階段，達到少維護、無人管理、高安全、智能化和無公害，最大限度的優化電池的使用和延長電池的壽命。

2.2.1 BADICHEQ系統及BADICOaCH系

BADICHEQ系統是在1991年開始設計的，并于1991年12月首次裝車實驗，經過不斷的實驗和修改，于1992年4月達到如下功能：

• 能同時對20個電池單元進行電壓測量；
• 能進行電流和溫度測量；
• 能根據電池單元對主充電機的充電電流進行控制；
• 能用一個小的充電機對單個電池進行均衡充電；
• 能儲存歷史數據和與PC機進行數據通信；
• 在儀表盤上顯示最差電池單元的剩余電量、電池電流、實際電池電量以及各種異常報警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統的改進，它有以下特點：

• 它的一個最重要的特點是在每個電池單元上加一個非線性電路（WLC）來測量電壓，并將一個電池組的八個單元電壓都通過一條信號線傳遞給BADICOaCH系統，并在那里解碼；
• 裝有兩條PWM信號輸出線來控制充電電流和電壓的大小；
• 最差電池單元的剩余電量被顯示出來；給最差電池單元以過放保護，給出停止使用信號；
• 對最近24個充放電周期的詳細數據進行存貯并允許在對電池好壞作判斷時進行快速查找電池基本信息和錯誤使用情況；
• 與PC機數據傳送采用RS232標準。2.2.2 BATTMAN系統

  BATTMAN電池管理系統強調了將所有的不同型號動力型電池組的管理做成一個系統，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數的辦法，來實現對不同型號電池組的管理。之所以要這樣作，是根據對不同型號的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認為這些共同的部分是：

  • 決定電池能存貯的電流能量；
  • 決定最弱電池單元的剩余電量；
  • 能影響電池的運行和數據的記錄；
  • 溫度的測量。

  
  2.2.3 EV1的電池管理系統

  通用汽車公司推出的EV1電動汽車由26個鉛酸蓄電池供電，放電深度80％，電池壽命是450個深放電周期，113公里市內行駛里程（美國環保局指標，USA EPA Schedule），145公里高速公路行駛里程（美國環保局指標，USA EPA Schedule）。
  
  EV1的電池管理系統概念定義包括四個組成部分：

  • 電池模塊（用于汽車驅動和其它用電系統）
  • 軟件BPM（Battery Pack Module）
  • 電池組熱系統電池組高壓斷電保護裝置（High Voltage Disconnect）

  
  可見，EV1的電池管理系統的核心是BPM.BPM有以下功能：

  • 單電池電壓監測
  • 電池組電流分流采樣電池組高壓保護（保險絲）
  • 六個熱敏電阻進行溫度采樣
  • 以電池組的平均特性控制充電
  • 過放電報警并降低電動汽車行駛性能
  • 電量或里程計算高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）

  
  總的說來，EV1的電池管理系統與一般意義上的電池管理系統有區別，它把系統側重點放在了電池組的可靠性（Safety Features）上。EV1電池管理系統的可靠性措施有：

  • 電池組高壓斷電保護裝置
  • 手動斷電開關
  • 地線絕緣失效檢測
  • 自動開關與手動開關連鎖

  2.2.4 SmartGuard系統

  這個系統的主要特點是在電池上裝有一個分布式的管理裝置（用了專用IC）來測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來時還可起動電流旁路電路。
  
  SmartGuard的主要功能有：

  • 過充檢測并防止過充；
  • 提供放電極性反向報警；
  • 電池歷史記錄和歸檔；
  • 提供最差電池單元的剩余電量信息。

  
  2.2.5 BatOpt系統

  該系統由每個電池上的監控模塊和中心控制單元組成一個分布式系統。通過two_wire總線，監控模塊向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動和自動充電策略，它有如下特點：

  • 每個模塊提供5安培的均充電流；
  • 模塊有溫度監控
  • two_wire總線接口。

  2.3國內電池管理系統研究

  目前，國內電池管理系統也有近10家在開展研究工作，有的單位已開發出管理系統，但是由于車載電池的區別和實驗條件不具備，車用電池管理系統的研制中還有許多關鍵技術沒有解決好，技術不夠成熟，具有很大的發展空間。
  
  一些研究機構研制的電池管理系統主要是針對電池組靜態進行的充放電試驗，動態問題考慮少。在混合電動車上，電池的使用情況更加復雜，大容量電機帶來的干擾問題也更加嚴重、突出。這些對電池管理系統的可靠性、適應性、安全性，都提出了更高的要求。
  
  本課題組以前研制出了針對鎳氫電池的BMS-Ⅰ、BMS-Ⅱ系統。在此基礎上，考慮鋰電池大客車的要求并綜合國外的先進成果，對管理系統的設計思想及結構，特別是硬件做了很大改進，完成了新的鋰電池管理系統。這套管理系統與以前的系統相比，有了很大的進步，功能更加先進和完善，設計思路也更趨于合理。
  
  如采用移位電路測量單電池電壓、多CAN總線通訊及數據傳輸、單總線測量溫度，新的SOC估計算法，引入均衡模塊和模糊診斷專家系統等；系統結構也實現了分布式、模塊化。人機交互界面上也做到了人性化，進一步提高了實用性。