電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)綜述

楊晨+周冬婉

摘 要 與燃油汽車相較，環(huán)境友好型的電動(dòng)汽車解決了其帶來(lái)的環(huán)境污染與能源消耗問(wèn)題，大力發(fā)展電動(dòng)汽車已為必然。本文介紹了幾種國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)典型模式，論述了電池管理系統(tǒng)的功能、SOC估計(jì)的方法、均衡管理技術(shù)以及熱管理，最后提出了電池管理系統(tǒng)今后的研究方向。

關(guān)鍵詞 電池管理系統(tǒng) SOC估計(jì) 均衡控制 熱管理

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.023

Overview of Power Management System for Electric Vehicles

YANG Chen， ZHOU Dongwan

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Compared with fuel vehicles， environmentally friendly electric vehicles solve the problems of environmental pollution and energy consumption， so it is necessary to develop electric vehicles. This paper introduces several typical mode of domestic and foreign battery management system， discusses the function of the battery management system， SOC estimation method， equalization technique and thermal management， finally， the future research orientation of the battery management system is proposed.

Keywords battery management system； SOC estimation； battery equalization； thermal management

在當(dāng)今這個(gè)提倡綠色環(huán)保，節(jié)能減排的社會(huì)環(huán)境下，純電動(dòng)汽車以其零排放的特點(diǎn)引起了眾多研究者的興趣。電池管理系統(tǒng)性能的優(yōu)劣程度，決定了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能與續(xù)駛里程。電池管理系統(tǒng)作用包括精確測(cè)定電池組的荷電狀態(tài)，對(duì)剩余電量進(jìn)行良好估計(jì)；實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的運(yùn)行狀態(tài)，包括測(cè)定單體電池以及電池組的電壓、電流、溫度等工作參數(shù)，防止出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放，降低電池的性能等問(wèn)題；同時(shí)對(duì)單體電池間、電池組間進(jìn)行均衡，延長(zhǎng)使用壽命。

1 國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)的研究狀況

1.1 國(guó)外電池管理系統(tǒng)的研究狀況

對(duì)于電池管理系統(tǒng)的研究，美國(guó)、日本及一些歐洲國(guó)家起步較早。其中以美國(guó)研究最為前沿、德國(guó)電動(dòng)汽車在歐洲國(guó)家中發(fā)展最為迅速。典型模式主要特點(diǎn)如下：

美國(guó)通用公司生產(chǎn)的EVI的電池管理系統(tǒng)，核心部分在于BMP，實(shí)現(xiàn)電壓電流溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有過(guò)放電報(bào)警與高壓斷電保護(hù)。Aerevironlnent公司研發(fā)的SmartGuadr系統(tǒng)，由專用集成電路檢測(cè)電壓電流，可防過(guò)充，提供歷史數(shù)據(jù)及最差電池的SOC。AC Propulsion公司研發(fā)的高性能Batopt系統(tǒng)，采用分布式系統(tǒng)，由監(jiān)控模塊采集電池工作信息，通過(guò)總線送到主控模塊，充電策略提供手動(dòng)自動(dòng)兩種。德國(guó)Mentzer Electronic Gmbh和Werner Retzlaff設(shè)計(jì)的BADICOACH和BADICHEQ系統(tǒng)，前者可測(cè)定20個(gè)單體電池參數(shù)，實(shí)現(xiàn)均衡充電，數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)顯示功能。后者為前者的改進(jìn)，每一單體電池均加了一采集電壓的非線性電路，并注意木桶效應(yīng)，反映最差電池剩余電量并給予保護(hù)。

1.2 國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)的研究狀況

對(duì)于電池管理系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)起步雖晚，但對(duì)此十分重視。2005年的“863”計(jì)劃中，有關(guān)電動(dòng)汽車的項(xiàng)目大大增加。1999年北京交通大學(xué)一直致力BMS的研究。系統(tǒng)功能上多了絕緣檢測(cè)，電池離散性評(píng)價(jià)體系，及利用充電機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)安全充電的新功能。SOC估算上成功運(yùn)用雙卡爾曼濾波預(yù)測(cè)法到實(shí)踐中。奇瑞汽車公司研發(fā)的BMS分布式結(jié)構(gòu)，由電池模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電池管理模塊以及CAN總線模塊組成。具有管理單體電池，擴(kuò)充接口，均衡充電的功能。比亞迪汽車公司為混合動(dòng)力車研發(fā)的BMS也采用分布式，可采集電池組總電壓電流，進(jìn)行SOC估算及安全保護(hù)、熱管理。江淮汽車公司公開(kāi)了一種集中式的架構(gòu)，包括主控模塊、電池單體電壓采集電路與接口電路，實(shí)現(xiàn)單體電池間的熱均衡，通信速率達(dá)400KHz。

2 BMS系統(tǒng)架構(gòu)及原理簡(jiǎn)介

2.1 電池管理系統(tǒng)的分類及功能

電池管理系統(tǒng)有分布式和集中式兩種。集中式由一個(gè)控制器控制并處理所有的監(jiān)控模塊采集的數(shù)據(jù)信息。分布式有一個(gè)主控制器，每個(gè)監(jiān)控模塊均有其獨(dú)立的分控制器處理其采集到的數(shù)據(jù)。兩者相較，集中式具有節(jié)約空間，走線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)成本低等優(yōu)點(diǎn)；分布式具有便于實(shí)現(xiàn)均衡充電，克服電池的不一致性等優(yōu)點(diǎn)。作為電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一，主要功能包括：采集單體電池及電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)；進(jìn)行SOC估計(jì)；充放電過(guò)程管理；均衡管理；熱管理；數(shù)據(jù)通訊；安全管理。

2.2 SOC估計(jì)的方法

SOC的準(zhǔn)確估計(jì)是電源管理系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一，正確估計(jì)電池的剩余容量才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組的監(jiān)控檢測(cè)及保護(hù)。如今較典型的SOC估量的方法包括：安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻法、開(kāi)路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。endprint

（1）安時(shí)計(jì)量法，其原理較為簡(jiǎn)單，著重于電池電量的出入。忽略電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)反應(yīng)，做一個(gè)封閉的對(duì)象，利用積分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池充入與放出的能量。根據(jù)大量充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出電池最后的經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)前SOC的計(jì)量公式為：其中SOC0表示初始時(shí)的SOC，Ct表示額定容量， 為充放電效率，I為充放電時(shí)電流。安時(shí)法雖然簡(jiǎn)單操作方便，但很明顯會(huì)有誤差累積影響估算精度，且一般電池初始時(shí)的SOC0不知，因而安時(shí)法一般不單獨(dú)使用，與其他方法聯(lián)合使用或者建立補(bǔ)償關(guān)系來(lái)提高精度。

（2）開(kāi)路電壓法，此方法主要是由于開(kāi)路電壓與電池的剩余容量具有一定線性關(guān)系，從而估算SOC。對(duì)于鉛酸電池，鎳氫電池以及鋰離子電池，鉛酸電池線性關(guān)系與其他兩種相比較好，但都可以進(jìn)行SOC估算，且鎳氫電池與鋰離子電池在充放電初期和末期效果表現(xiàn)較穩(wěn)定。此法雖然簡(jiǎn)潔，但是需電池在穩(wěn)定條件下進(jìn)行，需較長(zhǎng)靜置時(shí)間，且不適合在線檢測(cè)。

（3）內(nèi)阻法，根據(jù)計(jì)算電池的內(nèi)阻來(lái)推測(cè)剩余電量。電池的內(nèi)阻由直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻構(gòu)成，直流內(nèi)阻即通直流電時(shí)，短時(shí)間內(nèi)△U與△I的比值。交流內(nèi)阻則為通交流電時(shí)，電壓與電流的傳遞函數(shù)。電池的工作條件對(duì)內(nèi)阻影響大，放電初期規(guī)律不明顯，很少在電動(dòng)車上應(yīng)用。

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，此方法很好地處理了電池在運(yùn)行過(guò)程中的非線性問(wèn)題，利用并行處理結(jié)構(gòu)及自學(xué)習(xí)能力估算電池的SOC，一般采用典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層，輸出層，中間層。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法理論上是可以應(yīng)用于大多數(shù)電池的，不過(guò)采用此方法需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，誤差取決于輸入量的準(zhǔn)確性與訓(xùn)練方法的合理性。

（5）卡爾曼濾波法，利用不斷遞推的方式來(lái)進(jìn)行的，前提是建立一個(gè)正確的電池模型，估算的原理即將上一刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析然后與監(jiān)測(cè)到的值相比，得到最優(yōu)的誤差值，同時(shí)更新數(shù)據(jù)，估計(jì)下一刻的誤差，反復(fù)更新以及選取最優(yōu)值。此算法相對(duì)于其他方法準(zhǔn)確性高，但需要大量的運(yùn)算時(shí)間。

2.3 電池均衡的方法

實(shí)際每個(gè)電池不可能完全相同，必然存在差異，隨使用時(shí)間的增加差異也加強(qiáng)，可能導(dǎo)致壽命縮短，爆炸等問(wèn)題，因而進(jìn)行均衡十分必要。均衡控制分主動(dòng)式與被動(dòng)式均衡兩類。

（1）被動(dòng)式均衡，此方法也稱為能量耗散型均衡，通過(guò)消耗掉多的能量來(lái)達(dá)到均衡的目的。在電路中，給每節(jié)單體電池并聯(lián)一個(gè)旁路電阻，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓過(guò)高或者達(dá)到截止電壓時(shí)，就開(kāi)始進(jìn)行均衡，使旁路電阻流過(guò)電流，以熱量的形式散發(fā)。這種方式簡(jiǎn)單可靠，放電速度快，但其效率低下，且消耗了整個(gè)電池組的能量，現(xiàn)如今不再成為主要發(fā)展方向。

（2）主動(dòng)式均衡，此方法又稱為能量轉(zhuǎn)移法，一般包括開(kāi)關(guān)電容與DCDC變流器法。

①開(kāi)關(guān)電容法，通過(guò)電容儲(chǔ)能元件的特性來(lái)進(jìn)行能量的傳遞。兩個(gè)相鄰串聯(lián)的電池間利用一個(gè)開(kāi)關(guān)器件與電容并聯(lián)，充放電過(guò)程中，控制其切換?？刂齐娙荽鎯?chǔ)和釋放能量，完成兩個(gè)電池的能量傳遞。

②DCDC變流器法，按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為集中式和分布式均衡。集中式靠多副邊變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照能量傳遞方向又可以分單向和雙向均衡。如圖1，變壓器原邊線圈連接著電池組，每個(gè)單體電池連接著匝數(shù)相同的副邊繞組，假設(shè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到低電壓電池，控制開(kāi)關(guān)器件然后給原邊繞組充電儲(chǔ)存能量，再通過(guò)副邊繞組釋放給單體電池，使之達(dá)到一致實(shí)現(xiàn)均衡。

分布式均衡是每個(gè)單體電池都有自己獨(dú)立的均衡模塊進(jìn)行充電控制，靈活度高易于模塊化，但是也存在著控制器件多控制電路復(fù)雜的問(wèn)題。現(xiàn)如今分布式均衡主要采用反激變壓器隔離式均衡，當(dāng)然也有雙向與單向之分。這種方法優(yōu)點(diǎn)主要在于功率范圍變寬，工作在高頻狀態(tài)時(shí)設(shè)備還可小型化，雙向變換器從體積質(zhì)量成本上來(lái)說(shuō)應(yīng)該是以后的發(fā)展趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。

2.4 電池組熱管理

進(jìn)行熱管理對(duì)于電池使用壽命，電池性能，及整車運(yùn)行安全意義重大。電池組熱管理系統(tǒng)功能在于：（1）準(zhǔn)確監(jiān)控測(cè)量電池溫度。（2）電池組溫度過(guò)高時(shí)有效進(jìn)行通風(fēng)散熱。（3）溫度低時(shí)，快速加熱促使電池組正常工作。（4）當(dāng)產(chǎn)生有害氣體時(shí)，快速通風(fēng)。（5）維持整個(gè)的溫度場(chǎng)分布均勻。

電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）確定電池最優(yōu)工作溫度范圍，對(duì)鋰離子電池而言，工作范圍為充電時(shí)-10～45℃，放電時(shí)-30～55℃。而對(duì)于氫鎳電池和鉛酸電池而言工作溫度范圍為充電時(shí)-10～50℃，放電時(shí)-20～60℃。電池最優(yōu)工作范圍在20～40℃。（2）對(duì)電池進(jìn)行熱場(chǎng)計(jì)算與溫度預(yù)測(cè)。（3）傳熱介質(zhì)的選擇。（4）熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。（5）風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中，電池?zé)崮Ｐ偷慕⑹侵匾芯?，現(xiàn)如今空氣冷卻為最常用的散熱方式，從工作特性看，并行通風(fēng)優(yōu)于串行通風(fēng)。

3 BMS未來(lái)的研究方向

BMS作為電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，確實(shí)取得了不小的進(jìn)步與發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用，但是電池管理技術(shù)還是不夠完善，存在著改良進(jìn)步的空間：

（1）SOC估計(jì)還需要更加精準(zhǔn)，即利用采集到的每塊電池的電壓、電流、溫度等歷史數(shù)據(jù)，更精確地建立出每個(gè)電池剩余電量模型、估計(jì)其剩余電量。如今的模型與估計(jì)方法均存在著一定的局限性，SOC估計(jì)仍是今后重點(diǎn)研究之一。

（2）均衡能力需進(jìn)一步提高，電池自身本就存在著差異，使用中這些不一致性將導(dǎo)致充放電過(guò)程中嚴(yán)重失衡，提高均衡能力也就是通過(guò)均衡充電對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)償，盡量維持電池的一致性，而今后均衡技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該會(huì)向能量轉(zhuǎn)移式發(fā)展。

（3）BMS的集成化，通用化還需加強(qiáng)，有些BMS針對(duì)某一電池使用效果比較好，然而換為另一種電池則不太理想，因而設(shè)計(jì)更加通用化的BMS也成為目前的方向之一。

（4）BMS的安全性能還需加強(qiáng)，BMS的安全性能為許多消費(fèi)者最為關(guān)心的問(wèn)題之一，主要包括加強(qiáng)抗干擾的能力，系統(tǒng)故障報(bào)警技術(shù)以及電池組熱管理能力等。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車發(fā)展到今天其技術(shù)進(jìn)步很大，但對(duì)于電池管理系統(tǒng)的研究仍存在著諸多技術(shù)上的問(wèn)題亟待解決，若未來(lái)能夠解決這些技術(shù)上的難題，相信電動(dòng)汽車會(huì)有更加蓬勃的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助（201610500002）

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