純電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀分析

何忠霖，彭憶強，丁宗恒

(西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039)

0 引言

近年來，隨著汽車保有量越來越大，能源危機日益凸顯，環(huán)境污染日益嚴重，發(fā)展新能源汽車成為各國汽車行業(yè)解決這兩大難題的關(guān)鍵。純電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，已逐漸成為替代傳統(tǒng)化石燃料汽車，作為短距離出行交通工具的不二選擇。眾所周知，電動汽車動力電池組高成本是導致電動汽車價格居高不下的原因，其有限容量導致的低續(xù)駛里程問題也是制約純電動汽車大規(guī)模普及的技術(shù)瓶頸。BMS(Battery Management System，電池管理系統(tǒng))作為實現(xiàn)動力電池組能量管理、熱管理、重要參數(shù)(電壓、電流、溫度)信息采集、通信及存儲、SOC(State of Charge)估算、電池均衡、安全管理等功能的重要電控系統(tǒng)，其性能優(yōu)越與否也在一定程度上決定了純電動汽車的續(xù)駛里程及電池組的使用壽命。

BMS作為純電動汽車電控系統(tǒng)至關(guān)重要的一部分，其發(fā)展受到各個國家重視。美國、日本及歐洲各國對BMS的研究時間比我國早20年，他們對BMS的理論基礎和開發(fā)BMS的實驗設備投入了大量精力，建立了關(guān)于鋰電池不同的數(shù)學模型，做了大量實驗，對不同模型下的控制算法進行了研究。時至今日，國外已開發(fā)出了各種先進的BMS系統(tǒng)，具有代表性的是BADICHUQ系統(tǒng)、Smart Guard系統(tǒng)、Bat Opt系統(tǒng)、BATTMAN系統(tǒng)[1]。它們實現(xiàn)的方法不同，但基本功能幾乎一致。

雖然我國對BMS的研發(fā)起步較晚，但通過國家對新能源汽車發(fā)展的大力支持，再加上部分高校依托自身科技優(yōu)勢，與大的整車廠及電池生產(chǎn)商相合作的跨部分研發(fā)、生產(chǎn)方式，不斷縮短我國與國外先進BMS水平差距。如北京交通大學自1999年起，一直致力于BMS與電動汽車的研發(fā)工作。形成了包括電動汽車國家試運行示范區(qū)、北京121示范線、北京奧運電動大巴、北京公共交通控股有限公司等電動汽車電池管理系統(tǒng)[2]。BMS 作為電動汽車關(guān)鍵零部件之一，近年來雖然性能有很大提高，但在數(shù)據(jù)采集的可靠性、SOC估算精度、均衡技術(shù)和安全管理等方面還有待進一步改進和提高[3-4]。

1 BMS關(guān)鍵技術(shù)的基本組成及工作原理

BMS是一個含電池重要參數(shù)采集、電池狀態(tài)分析、能量控制管理、熱控制管理、電池安全保護、數(shù)據(jù)通信與儲存的協(xié)同處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基本組成

BMS主要工作過程是通過對電池模組電壓、單體電池電壓、串聯(lián)電流、電池工作溫度等參數(shù)的采集，并建立合適的電池模型，運用一定算法，對電池SOC進行估算及實現(xiàn)對電池老化程度(State of Health，SOH)評判；同時電池安全保護系統(tǒng)通過判定電池在充電、放電過程中電壓、電流、溫度等參數(shù)是否超過預設閾值來實現(xiàn)動作，起到對電池的保護作用；當電池在充電、放電的過程中，能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)將啟動，能量管理系統(tǒng)通過優(yōu)化充電、放電時電流大小和對單體電池進行電壓均衡，保障電池在使用過程中高庫侖效率、充電效率和放電效率，增加電動汽車續(xù)駛里程，熱管理系統(tǒng)的作用是讓電池處于最佳工作溫度區(qū)間5～35 ℃，且電池組最大溫差不超過6 ℃,最大限度延長電池組使用壽命[5]。最后通過數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)與其他控制器間的信息傳遞，通過分析存儲的歷史數(shù)據(jù)能更高效地處理產(chǎn)生的故障。工作原理圖如圖2所示。

圖2 BMS工作原理圖

2 BMS關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1 軟件BPM

軟件BPM是美國某公司對純電動汽車電池管理系統(tǒng)的概念定義，其主要功能是采集和檢測電池模組和單體電池電壓，對電池電流進行采集處理，通過溫度傳感器對電池溫度進行采集。通過上述測量參數(shù)實現(xiàn)SOC估算和電池老化程度評估，同時完成對采集數(shù)據(jù)的不同處理，如向駕駛員提供電池狀態(tài)信息、警告信息，向其他控制器傳遞電池參數(shù)數(shù)據(jù)，通過保存電池歷史狀態(tài)信息便于對電池進行管理維護等，軟件BPM是BMS的心臟。

2.1.1 電池重要參數(shù)采集

一般來講，電池重要參數(shù)包括電池模組電壓、單體電池電壓、串聯(lián)電池模組電流、電池極柱溫度、SOC、 SOH、 自放電率、電池循環(huán)使用壽命。需要精確測量的是電壓、電流、溫度，其他參數(shù)可通過特定算法或大量充、放電實驗獲取。

常見的電池電壓采集檢測芯片有ADI公司推出的AD7280芯片，Linear公司推出的LTC6802、 LTC6803芯片，美信公司推出的MAX11068芯片。電流可通過霍爾傳感器測得，溫度可通過熱敏電阻測得。

2.1.2 SOC估算方法

目前，常見的SOC估算方法有：

(1)開路電壓法。依據(jù)SOC與開路電壓OCV(Open Circult Voltage)之間的單調(diào)關(guān)系。在標準條件下(25 ℃，1個標準大氣壓，相對濕度15%～90%)，以較小的充、放電倍率進行充放電，通過大量實驗，測得SOC-OCV曲線。因此，只需測取電池組OCV大小，根據(jù)此前已獲取的標準SOC-OCV曲線，即可讀取SOC。該法的局限性是：① SOC-OCV曲線易受到溫度干擾；② OCV必須在電池完全靜置下測得。

(2)安時積分法。這是估算SOC的基本方法，其計算公式如下：

(1)

式中：C為電池額定容量；η為充、放電效率。通過精確測量k-1到k時刻電池流經(jīng)電流，即可計算出該段時間的容量百分比，再與前一時刻SOCk-1相加(充電電流符號為正，放電電流符號為負)，即可得到當前荷電狀態(tài)SOCk。該方法的缺陷是：由于需要精確計量SOC初始值，但實際電池充、放電電流大小并不恒定，導致累積誤差的產(chǎn)生，該誤差會隨時間推移逐漸增大，不能消除。因此常與開路電壓法聯(lián)合使用，采用開路電壓法確定SOC初值SOC0，提高估算精度。

(3)狀態(tài)觀測器法。實質(zhì)上是構(gòu)造一個電池系統(tǒng)的等效模型，將與原系統(tǒng)相同的電流、溫度等參數(shù)輸入到新模型，可測得新模型的輸出量，原系統(tǒng)與新模型輸入量一致，構(gòu)造一定算法將兩系統(tǒng)輸出量差值不斷修正直至接近誤差允許范圍，此時新系統(tǒng)與原模型完全等價。新系統(tǒng)已知狀態(tài)量(通常是SOC)也等效于原模型狀態(tài)量。狀態(tài)觀測器法需保證狀態(tài)變量一定收斂，因此，在設計階段需要較多控制理論知識。

(4)卡爾曼濾波法。 卡爾曼濾波采用預測和校正的思想來估計系統(tǒng)的狀態(tài)。首先，根據(jù)建立的模型計算出狀態(tài)的預測值，然后根據(jù)預測值計算模型輸出值與實際系統(tǒng)輸出量的差值來修正預測值，進而得到較為準確的狀態(tài)估計值[6]。鋰離子電池常采用擴展卡爾曼濾波對電池組SOC進行實時估算。擴展卡爾曼濾波是通過系統(tǒng)狀態(tài)空間模型將動力電池非線性系統(tǒng)進行線性化，然后再利用標準卡爾曼濾波算法的原理對狀態(tài)變量做最優(yōu)估計。為方便理解，給出了如圖3所示方框圖。

其中f( , )為非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)，g( , )為非線性測量函數(shù)，vk為過程噪聲，用來描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中的加性噪聲及誤差的過程噪聲變量，wk為觀測噪聲，用來表述系統(tǒng)輸入量測量時產(chǎn)生的噪聲和誤差。vk、wk均為高斯隨機白噪聲。

圖3 非線性離散時間狀態(tài)模型

(5)神經(jīng)網(wǎng)絡法。神經(jīng)網(wǎng)絡法的核心是基于功能層面，模擬人自組織、自學習能力的一種數(shù)學算法。從結(jié)構(gòu)上可分為輸入層、中間層和輸出層，通過不斷組織并行結(jié)構(gòu)和訓練學習，可以無限逼近鋰離子電池在實際使用過程中的非線性系統(tǒng)。 模型精度受訓練數(shù)據(jù)和訓練方法影響較大。

2.1.3 數(shù)據(jù)通信及存儲方法

BMS必須滿足能和上位機進行通信的功能，通常采用串口方式進行通信。汽車常選用控制器局域網(wǎng)CAN(Control Area Network)串行通信方式。純電動汽車的動力電池管理系統(tǒng)CAN由三部分組成：整車CAN、快充CAN、內(nèi)網(wǎng)CAN。整車CAN 是指整車控制器與電池管理單元之間的信息傳遞交互；快充CAN是指充電機管理模塊與電池管理單元之間的通信；內(nèi)網(wǎng)CAN則是指電池管理單元與電機控制管理模塊之間的通信。動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)儲存在BMS主控制器芯片的程序存儲器中，方便調(diào)用和查找。同時，也會在主控制器中設置相關(guān)程序周期性清除歷史數(shù)據(jù)，便于存儲實時跟新的參數(shù)。

2.2 能量管理系統(tǒng)

電池組的能量管理包括充電控制管理、放電控制管理和均衡控制管理。充電管理系統(tǒng)設置是否合理關(guān)系到電池充電飽滿程度及充電效率，須保證在盡量短時間內(nèi)以合理的充電方式以及適合的充電倍率將電充滿。放電管理系統(tǒng)的功能主要是匹配純電動汽車行駛過程中不同工況時放電倍率，保證盡可能長的續(xù)駛里程。對串聯(lián)動力電池組而言，其性能是由構(gòu)成模組的性能最低單體電池決定的，因此電池均衡管理是為了確保充、放電時各單體電池電量基本相等，提高動力電池的整體性能。純電動汽車常用多分組能量管理方式進行充、放電管理。

2.2.1 多分組能量管理

將串聯(lián)電池模組分為不同電池小組，以小組為單位進行管理。劃分規(guī)則是：小組內(nèi)各單體電池型號相同，容量大致相等。這種能量管理方式的關(guān)鍵點在于：

(1)確定參加充、放電小組數(shù)目。串聯(lián)小組數(shù)目是由負載端電壓確定的，并聯(lián)小組數(shù)目是由負載所需電流和小組放電電流決定的，LI等[7]給出了確定串、并聯(lián)電路中參與充、放電電池數(shù)目的具體算法，并引入波動系數(shù)對負載波動導致參與充、放電的電池數(shù)量進行了修正。

(2)各小組充、放電順序的確定。每個小組的剩余電量ρSOC是決定充、放電順序的關(guān)鍵因素。表1所示為SOC界定表。

表1 SOC界定表

注：UB為電池小組端電壓，Ucut為電池小組截止電壓。

各小組中F狀態(tài)最多且R狀態(tài)最少時，為放電最理想狀態(tài)；反之，若各小組中R狀態(tài)最多且F狀態(tài)最少時，為充電最佳狀態(tài)。因此，各小組放電優(yōu)先級為：F、G 、Y 、R；充電優(yōu)先級為：R、Y、 G、 F。

定義多分組能量管理方式的控制策略：

①需要確定小組的充、放電數(shù)目。

②對各電池小組進行編號，同時各小組根據(jù)SOC優(yōu)先級得到充電優(yōu)先列表和放電優(yōu)先列表。

③按充、放電優(yōu)先級列表遞減的順序?qū)Ω餍〗M進行充、放電。當優(yōu)先級相同時，充、放電順序由編號順序確定。

④監(jiān)視各小組SOC，并返回到②。

2.2.2 電池均衡技術(shù)研究

電池容量均衡是提高電池組性能、保持電池健康、延長純電動汽車續(xù)駛里程的重要環(huán)節(jié)。按均衡過程可分為充電均衡、放電均衡和動態(tài)均衡；按能量消耗情況，可分為耗散型均衡和非耗散型均衡。

(1)耗散型均衡法。電路結(jié)構(gòu)通常比較簡單，每個耗散模塊由能量消耗電阻和多路控制開關(guān)組成。其原理是：當某單體電池電壓高于其他電壓時，開關(guān)閉合，電池、開關(guān)、電阻形成閉合回路，電池能量被電阻消耗，電壓降低，從而達到均衡目的。這種均衡方式電路結(jié)構(gòu)簡單，但均衡效率低，耗能較高。均衡電路如圖4所示。

圖4 開關(guān)控制式均衡電路

(2)非耗散型均衡。常用電容、電感、DC-DC轉(zhuǎn)換器等具有儲能能力的元器件完成能量在單體電池之間的轉(zhuǎn)移。比較常見的是開關(guān)電容型和Buck-Boost型，開關(guān)電容型與電阻耗散型均衡法結(jié)構(gòu)類似，使用電容替代電阻實現(xiàn)非耗散功能，由多路開關(guān)完成控制。因此，對DC-DC轉(zhuǎn)化器法進行具體分析。DC-DC轉(zhuǎn)化器法按結(jié)構(gòu)可分為集中式和分散式兩種。

①集中式變壓器均衡法。集中式變壓器均衡法的原理是利用多副邊繞組變壓器，以整個電池小組的能量作為電壓源，當監(jiān)測系統(tǒng)判定某組分為低壓單體電池后，通過多副邊繞組對該單體電池進行額外的能量補充，完成均衡[8]。根據(jù)繞組原邊和副邊作用方式的不同，可分為正向激勵和反向激勵兩種。能量均衡過程無能量損耗，且均衡速度較快，但缺點是由于副邊繞組匝數(shù)很難精確匹配，因此均衡精度受到限制。

②分散式均衡法。分散式均衡法是給每個單體電池都配置一個均衡電路，目的是通過均衡電路將能量較高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移到整個電小組或能量較低的單體電池，因此整個系統(tǒng)主要是通過能量的吸收和釋放來區(qū)分[9]。由于給每個單體電池配置的均衡電路結(jié)構(gòu)基本一致，因此整個均衡電路比較容易模塊化，但缺點是整個電路會顯得臃腫復雜。根據(jù)變壓器在均衡電路中拓撲結(jié)構(gòu)可分為隔離型和非隔離型兩種。原理圖如圖5所示。

圖5 分散式均衡法原理圖

2.3 熱管理系統(tǒng)

2.3.1 熱管理系統(tǒng)功能

對于熱管理系統(tǒng)，需具備的一般功能應有：①單體電池和電池模組溫度的監(jiān)測。②當電池組工作環(huán)境溫度過低，電池組實際容量會降低，工作效率降低，系統(tǒng)應對動力電池組進行預熱，直至達到能正常使用的溫度范圍，即系統(tǒng)應具有加熱功能。③當外界溫度過高時，電池組自身充、放電會讓溫度進一步升高，此時電池內(nèi)部某些活性物質(zhì)會與電解質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學反應，電池極板微結(jié)構(gòu)遭到破壞，導致電池容量衰減，加速電池老化，同時充、放電過程產(chǎn)生大量的熱可能會導致電池起火等不安全因素，因此系統(tǒng)應具有制冷功能。④電池組內(nèi)部各單體電池溫度應盡量保持一致，從而提高電池使用性能和延長電池壽命。⑤能對電池組在使用過程中可能產(chǎn)生的有害氣體進行通風排除。常見的熱管理系統(tǒng)有自然風冷系統(tǒng)、主動式風熱/風冷系統(tǒng)、主動式液熱/液冷系統(tǒng)。

2.3.2 熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于：①熱管理加熱/冷卻形式確定。②決定系統(tǒng)熱管理控制策略。③設計熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及完成對執(zhí)行器的選型[10]。④電池箱溫度預測及熱場計算。

2.3.3 熱管理系統(tǒng)控制策略

以溫度為控制對象和目標，采用多溫度區(qū)間對應不同熱管理模式的控制策略。某純電動汽車主動式間接液熱/液冷熱管理系統(tǒng)控制策略如表2所示。

表2 熱管理系統(tǒng)控制策略 ℃

若環(huán)境溫度較高，致使汽車啟動時電池箱溫度在55～65 ℃區(qū)間，溫度傳感器檢測到高溫電池箱后，熱管理系統(tǒng)進入“限功率+制冷”模式，限制電池組大倍率放電的同時，制冷元器件介入工作，制冷的冷卻液流經(jīng)電池箱達到降溫效果。當檢測到電池箱溫度在5～35 ℃時，液冷系統(tǒng)停止工作。為防止熱管理系統(tǒng)在不同模式間頻繁切換，通常給系統(tǒng)設定某溫度區(qū)間的滯回閥值，如±5 ℃，當溫度處于某閾值范圍內(nèi)時，不進行模式切換，當超過閾值極限時自動轉(zhuǎn)換模式。低溫時熱系統(tǒng)處理模式與高溫時類似。

2.4 電池安全保護系統(tǒng)

鋰電池使用過程中可能出現(xiàn)的過流、過充、過放、過溫均是潛在的不安全因素。鋰離子電池可以短時間過流，但長時間過流會致使電池使用性能降低，安全性也得不到保障。過充、過放會對電池產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷，甚至可能導致電池產(chǎn)生起火、爆炸等危險。溫度對動力電池影響尤大，由于鋰電池具有在非連續(xù)放電條件下，電池內(nèi)部活性物質(zhì)將重新分布使電荷達到平衡狀態(tài)的自恢復效應[11]。因此常溫下鋰電池以某放電倍率放出的電量，是低溫下以相同放電倍率放出的電量與由低溫恢復至常溫后，以相同放電倍率繼續(xù)放電放出電量之和。

電池充電、放電、能量均衡由能量管理系統(tǒng)控制，工作溫度由熱管理系統(tǒng)控制。它們協(xié)調(diào)工作，盡量讓電池在最佳環(huán)境下工作。但純電動汽車實際行駛時工況多樣，應有安全保護系統(tǒng)作為電池安全工作的最后屏障。設計安全保護系統(tǒng)的流程如圖6所示。

圖6 故障診斷流程圖

3 結(jié)束語

BMS作為電動汽車電控核心之一，已經(jīng)逐漸從純電動汽車發(fā)展到插電式混合動力、增程式混合動力等多型電動汽車。隨著電動汽車的普及，BMS的發(fā)展也會進一步朝著集成化、通用化方向發(fā)展，發(fā)展過程中亟待解決的問題有：

①SOC估算精度。SOC估算通常是基于電池模型和估算算法，但隨著電池的正常使用，電池模型相關(guān)參數(shù)會發(fā)生非線性的動態(tài)變化，若始終使用同一模型和不變的算法，沒有任何補償措施，致使估算精度下降。因此，應盡量找到相關(guān)模型變化規(guī)律，減小估算誤差。

②可移植性差。不同類型鋰離子動力電池BMS不通用，如三元鋰電和磷酸鐵鋰BMS存在差異。不同類型電動汽車不通用，混合動力和純電動汽車電池工作模式不同，BMS也不同。因此，研究通用性更強的BMS是目前各BMS研究部門發(fā)展的方向。

③能量均衡管理。應向非能量耗散型轉(zhuǎn)化，同時避免過于復雜的均衡電路，降低成本，提高能量利用效率。

④缺乏對電池SOH和老化程度的精確測試和評價，需掌握更多電池內(nèi)部運行規(guī)律，摸清電池不同使用時期的老化程度，增加電池使用壽命，降低整車使用成本。

⑤優(yōu)化充、放電控制算法。現(xiàn)在BMS充、放電功能大多以電壓為控制目標，容易導致電池產(chǎn)生過充、過放，對電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，希望以后充放電控制算法能將SOC控制和電池端電壓控制相結(jié)合，提高充、放電效率，避免在充、放電時對電池造成損傷。