關(guān)于國(guó)內(nèi)外鋰離子電池管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

王 萍 顧 燕

摘要: 在當(dāng)前我國(guó)的能源與環(huán)境形勢(shì)下,電動(dòng)汽車是適應(yīng)節(jié)能環(huán)保要求、滿足家庭日常通勤需要、具有廣闊市場(chǎng)前景的純電動(dòng)車輛,而電池作為其最重要的動(dòng)力源,對(duì)于車輛的使用性能和安全性等有著重要的影響。本文結(jié)合微型電動(dòng)汽車的使用情況,對(duì)國(guó)內(nèi)外鋰離子電池管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞: 微型電動(dòng)汽車鋰離子電池電池管理系統(tǒng)

容量、比功率和峰值功率、快速充電、壽命、價(jià)格等是衡量蓄電池質(zhì)量的幾項(xiàng)指標(biāo)。目前,價(jià)格低廉的鉛酸蓄電池廣為國(guó)內(nèi)電動(dòng)車和電動(dòng)自行車使用,但其比能量、比功率相對(duì)較低,電池的壽命也相對(duì)較短。在要求更高的微型電動(dòng)車上,一般采用更高性能、安全和環(huán)境友好的鋰離子電池,這種電池在續(xù)駛里程、功率表現(xiàn)和電池壽命上為車輛提供了更好的保障。然而,盡管采用了各方面性能都較為優(yōu)秀的鋰離子電池,但現(xiàn)有的車用鋰離子電池在隨車使用中依然存在一系列的問題,最突出的表現(xiàn)就是:電池在運(yùn)行過程中無法及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)與監(jiān)控其狀態(tài),電池經(jīng)常出現(xiàn)過充、過放、過熱等情況,這些情況不僅損害了電池本身的壽命,而且造成車輛使用者成本的增加,嚴(yán)重的還將造成車輛停駛、損壞甚至燒毀爆炸等極端危險(xiǎn)的情況。為了保護(hù)任意車輛工況下電池的安全性,同時(shí)將電池的實(shí)時(shí)參數(shù)反饋給車輛控制器,需要建立鋰離子電池管理系統(tǒng),該系統(tǒng)是保證電池正常運(yùn)行、保護(hù)電池壽命和駕乘人員安全的必要一環(huán)。

電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是:對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集、記錄和傳輸,并限制這些參數(shù)在一定的區(qū)間內(nèi)。除此之外,還需要通過一定的算法,得到電池的剩余容量SOC,并反映給車輛控制器,對(duì)其作必要的限制。SOC的監(jiān)控可以更大程度上發(fā)揮電池能力,也可以更好地保護(hù)電池工作在安全區(qū)域。因此,電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于確保微型電動(dòng)汽車正常運(yùn)行、保護(hù)駕乘人員安全有著重大的意義。電池管理系統(tǒng)工程化和產(chǎn)業(yè)化也是降低微型電動(dòng)汽車成本、提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要任務(wù)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):

第一,絕大部分現(xiàn)存電池及其管理的研究文獻(xiàn)的對(duì)象是混合動(dòng)力汽車,而面向微型純電動(dòng)轎車用電池的鋰離子管理系統(tǒng)的研究還不多見?；旌蟿?dòng)力和純電動(dòng)車輛對(duì)所用電池在多個(gè)方向上存在明顯不同的使用要求?；旌蟿?dòng)力車輛用電池管理主要著眼于電池和其他動(dòng)力源在車輛使用中的能量管理策略和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題;而微型純電動(dòng)車輛的電池管理系統(tǒng)的重點(diǎn)在于電池本身的安全保護(hù)、性能提高,以及電池參數(shù)和整車的通訊過程,這樣的差別使得純電動(dòng)微型車用電池管理系統(tǒng)的研究具有一定的獨(dú)特性。

第二,在國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)的研究中,關(guān)于是否監(jiān)測(cè)電池的剩余容量SOC存在不同的看法。許多采用鉛酸電池的低檔車輛沒有監(jiān)測(cè)電池的剩余容量SOC,而僅用電池的端電壓表現(xiàn)來判定電池的情況。這種做法的主要問題在于:電池的端電壓受瞬時(shí)電流的影響非常嚴(yán)重:大電流沖擊下的端電壓驟降現(xiàn)象非常明顯,二小電流下的端電壓下降速率在初始階段卻可能非常輕微。同時(shí),電池一段較大電流放電結(jié)束后,端電壓反而會(huì)出現(xiàn)上升的情況,這就造成電池端電壓在放電過程中的變化不單調(diào),電池的剩余容量SOC和電池端電壓表現(xiàn)不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,于是僅依靠電池的端電壓監(jiān)控?zé)o法完整得到電池的狀態(tài)。

第三,國(guó)內(nèi)外在SOC的估計(jì)算法上已經(jīng)存在較為多樣的方法。其中,比較重要的方法有以下幾種:

a.安時(shí)積分方法

安時(shí)積分方法是蓄電池SOC在線估計(jì)的最常用方法,豐田公司Prius、本田公司的電動(dòng)汽車EVPlus,通用大宇的電動(dòng)汽車DEV5使用的都是安時(shí)積分法。安時(shí)積分方法能夠基本滿足電動(dòng)汽車電池組SOC估計(jì)的需要,但是精度還需提高。

b.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池,缺點(diǎn)是需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,估計(jì)誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大,適用范圍受訓(xùn)練數(shù)據(jù)限制,而且在電池管理系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)。此外大量文獻(xiàn)使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大部分處于恒流、恒負(fù)載充放電狀態(tài)的電池的SOC。實(shí)際電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的工作狀態(tài)多樣且電流劇烈變化,適合電動(dòng)汽車工況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC估計(jì)方法還在研究中。

c.卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波理論的核心思想是對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)作出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)。它的算法是一套包括SOC估計(jì)值和反映估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣的遞歸方程。與其他方法相比,卡爾曼濾波法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)初始SOC誤差不敏感和更適于電流波動(dòng)劇烈的電動(dòng)汽車應(yīng)用環(huán)境,缺點(diǎn)是對(duì)電池性能模型精度及電池管理系統(tǒng)計(jì)算能力要求高。

目前,豐田公司、本田公司和福特公司生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車使用的電池組SOC估計(jì)方法都是電流(安時(shí)積分法)結(jié)合電壓(開路電壓法和負(fù)載電壓法)的估計(jì)方法,精度為10%—20%,電池SOC使用范圍為0.5—0.8?，F(xiàn)在各個(gè)公司都在不斷對(duì)自己的電池組SOC估計(jì)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),包括香港大學(xué)、德國(guó)烏爾姆大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)也都正在進(jìn)行電池SOC估計(jì)方法的研究。

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