大容量動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)研究

韓改弟

摘 要：新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一是動(dòng)力電池。作為影響電動(dòng)汽車整體成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動(dòng)力電池的質(zhì)量對電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程有直接影響。因此，通過研究開發(fā)大容量動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對電池組的功率、電量、工作環(huán)境等多種技術(shù)指標(biāo)的在線檢測，對電池組的剩余電量進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率、高節(jié)能和精準(zhǔn)化的電池管理。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池組；SOC；模塊設(shè)計(jì)；石油

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.062

近年來，由于日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和日益增長的石油和能源消耗，作為電動(dòng)汽車發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)的電源管理系統(tǒng)，受到了政府和世界主要汽車制造商的關(guān)注。大容量動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)包含多個(gè)處理模塊：數(shù)據(jù)信息采集模塊、SOC估計(jì)模塊、電容監(jiān)控模塊、安全保障模塊、熱效應(yīng)控制模塊、數(shù)據(jù)通信和顯示模塊等。其中，多種能源模式綜合利用與優(yōu)化功能是通過SOC估算模塊、電氣控制模塊綜合實(shí)現(xiàn)的，可提高能源轉(zhuǎn)化效率。延長用電時(shí)間功能是通過安全管控模塊和熱管理模塊綜合實(shí)現(xiàn)的。

1 數(shù)據(jù)信息采集模塊

目前，根據(jù)電動(dòng)車電池的功率、電量、工作環(huán)境等技術(shù)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化等明顯特征，有針對性地開展研究工作，以保障該領(lǐng)域數(shù)據(jù)信息采集的精確度，是主要的途徑。在電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)的整體規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，針對前端感知系統(tǒng)采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這是對電動(dòng)車電池實(shí)現(xiàn)合理有效管理和控制，可確保其功能的穩(wěn)定發(fā)揮。對于目前市場上現(xiàn)有的主流產(chǎn)品的實(shí)際情況，鑒于鋰離子電池的安全性要求較高，具有內(nèi)部阻抗高、工作電壓變化較大等缺點(diǎn)，因此，通過提高系統(tǒng)前端設(shè)備信息采集精度，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)單體電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測尤為必要。

2 SOC的估計(jì)模塊

實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車電池剩余容量的精確檢測一直是該領(lǐng)域電控系統(tǒng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。安時(shí)法主要是通過記錄電池流出能量或輸入能量，進(jìn)而借助電流積分的方法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，再結(jié)合電池初始記錄，就可以計(jì)算出電池的電量情況，并及時(shí)將信息反饋給系統(tǒng)。該方法簡單易行，與其他方法相比，具有成本較低、互動(dòng)反饋良好等特點(diǎn)，且短時(shí)間內(nèi)信息采集精度較高，但由于其自身的問題，該算法不能實(shí)現(xiàn)持久、獨(dú)立使用。與傳統(tǒng)算法相比，各種新型算法目前尚不成熟，甚至有些算法非常復(fù)雜，不僅對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的要求較高，且在單片機(jī)等獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)。受到以上因素的制約，這些新型算法在實(shí)際應(yīng)用中還不多見，目前多數(shù)尚處于試驗(yàn)階段，距離投產(chǎn)還有一段距離，但這是未來發(fā)展的方向。

3 電能電量監(jiān)控模塊

目前，動(dòng)力電池一般由多節(jié)較大容量單體電池串聯(lián)而成，由于單體電池之間存在不一致性，導(dǎo)致其使用環(huán)境受到較大的限制，且其配套的電池管理系統(tǒng)的電能電量監(jiān)控模塊也是研發(fā)工作的難點(diǎn)，該模塊的技術(shù)水平直接影響了電池組的使用水平。電能電量監(jiān)控模塊的功能主要是實(shí)現(xiàn)充電過程的安全、可靠，通過對電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡充電，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的工作狀態(tài)以及工作環(huán)境等影響電池載體性能發(fā)揮的外部因素，進(jìn)而開發(fā)和設(shè)計(jì)相關(guān)電池類型和控制電池充電、放電的算法模型，并將其投入到電池的實(shí)際生產(chǎn)中，建立電池管理系統(tǒng)的充放電控制規(guī)范。

4 安全管理模塊

電池動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)在安全管理技術(shù)研發(fā)方面主要側(cè)重于對電池的保護(hù)，通過提高載體的絕緣能力、導(dǎo)電能量等硬件措施以及信息傳輸效率、前端設(shè)備感知能力等軟件環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)對高電壓和高電流等危險(xiǎn)因素的有效管控。為了實(shí)現(xiàn)電池在整車中的安全使用，必須通過在電池管理系統(tǒng)中建立完善的安全管理模塊，而這方面技術(shù)的發(fā)展與行業(yè)整體發(fā)展水平相比仍有一定差距，雖然該模塊的研制工作一直都是國內(nèi)外各大知名汽車生產(chǎn)商和科研機(jī)構(gòu)當(dāng)前所面臨和必須解決的問題，但受限于系統(tǒng)功能整合以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)水平等，進(jìn)展較慢。

5 熱管理模塊

多年實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)車電池的工作性能受到工作環(huán)境溫度影響較大，甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖?，進(jìn)而影響電動(dòng)車的使用。此外，鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池的最佳工作溫度為25～40 ℃，雖然現(xiàn)在很多科技企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)通過提升技術(shù)水平等將產(chǎn)品工作溫度范圍進(jìn)行了擴(kuò)大，但電池產(chǎn)品一旦工作溫度變化超出以上范圍，將導(dǎo)致電量均衡管理系統(tǒng)、電容、內(nèi)阻和內(nèi)存電量等產(chǎn)生明顯差異。同時(shí)，溫度的變化也是引起電池均衡問題的誘因之一。因此，在電池管理系統(tǒng)中通過增加熱管理模塊，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的工作環(huán)境可調(diào)，是目前行業(yè)內(nèi)的主流做法。

6 數(shù)據(jù)通信和顯示模塊

目前，每個(gè)BMS都設(shè)置了與計(jì)算機(jī)相連的通信端口，以實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)對電池?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行分析控制。在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)中，通過CAN總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是主流方式，該模塊也是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分。該系統(tǒng)主要采用LIN總線通信，在采用智能電池模塊時(shí)，系統(tǒng)可以通過其數(shù)據(jù)通信和顯示模塊中的電力微波方法與控制器實(shí)現(xiàn)信息交換。與其他方法相比，以上兩種通信方式均可以減少電池管理系統(tǒng)的線路總數(shù)，對電動(dòng)汽車的線路進(jìn)行整體優(yōu)化，但其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾能力與目前新能源汽車行業(yè)內(nèi)普遍采用的CAN總線相比仍存在較大差距。

7 結(jié)束語

綜上所述，作為制約電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸技術(shù)，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了各國及相關(guān)行業(yè)企業(yè)的關(guān)注，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程逐步深入，基于新材料和結(jié)構(gòu)的大容量動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為各國競爭的焦點(diǎn)，預(yù)計(jì)拓展車用動(dòng)力電池使用壽命、工作環(huán)境、算法可靠性以及降低生產(chǎn)成本等是相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

〔編輯：張思楠〕