電池管理系統(tǒng)發(fā)展綜述

譚澤富，孫榮利，楊 芮，何德伍

(重慶三峽學(xué)院 信號與信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 404000)

能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大問題[1]。目前，全球汽車保有量突破10億輛，而且每年消耗的燃油相當(dāng)可觀。石油是一種寶貴的戰(zhàn)略資源，但它帶來的污染不容忽視。經(jīng)過多年的努力，電動(dòng)汽車的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。動(dòng)力電池直接為電動(dòng)汽車提供能量，是電動(dòng)汽車的重要組成部分[2]。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池發(fā)展的關(guān)鍵是電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)和相關(guān)的整車技術(shù)的發(fā)展。電池管理系統(tǒng)對電動(dòng)汽車的成本、動(dòng)力和安全性至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測單體電池的電流、電壓，控制單體電池的充放電均衡，觀測電池充放電電流及溫度，估算電池的剩余電量(state of charge，SOC)，與車輛監(jiān)控系統(tǒng)、車載充電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)總線通訊，協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化電動(dòng)車的電量分配[3]。

作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，電池管理系統(tǒng)具有不可或缺的作用，但是在準(zhǔn)確估算SOC時(shí)，均衡問題和采集數(shù)據(jù)的可靠性等還需要提高和改進(jìn)[4-5]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

全球很多汽車廠商都對電動(dòng)汽車的研究非常重視，全球主要的車型及電池管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 全球主要的車型及電池管理系統(tǒng)

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外在電動(dòng)汽車上的研究相比國內(nèi)起步較早。美國對電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究一直處于世界領(lǐng)先地位。目前，豐田、本田以及通用汽車都將BMS納入技術(shù)開發(fā)。美國通用汽車公司為電動(dòng)汽車EV1開發(fā)的電池管理系統(tǒng)[6]，可以實(shí)現(xiàn)對26節(jié)串聯(lián)而成的電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)狀況監(jiān)測、分流采樣總電流、熱管理以及高壓斷電保護(hù)等。德國的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了BADICHEQ系統(tǒng)[7]。德國的B.Hauck開發(fā)了BATTMAN系統(tǒng)[7]。日本豐田汽車開發(fā)了Pruis混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)。美國的特斯拉制造商開發(fā)了純電動(dòng)汽車所使用的電池管理系統(tǒng)。國外針對電池管理系統(tǒng)做了大量的實(shí)驗(yàn)論證，取得了很大的進(jìn)展。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于電動(dòng)汽車的研究起步較晚，但在過去10年中，中國電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速。與此同時(shí)，中國成立了一個(gè)重要的電動(dòng)汽車專業(yè)研究項(xiàng)目，這與國家的大力支持是分不開的。蘇州興恒電力有限公司研發(fā)了燃料電池——鋰離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)；北京航空航天大學(xué)對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，其研發(fā)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫度采集，SOC 估算以及判斷電池狀態(tài)等功能。清華大學(xué)為EV-6580 輕型電動(dòng)客車設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)采集電流、電壓、溫度等參數(shù)，可防止過充(過放)，并且為電池組設(shè)計(jì)了與之匹配的充電系統(tǒng)[8]。此外，安徽力高新能源與中國科技大學(xué)合作，產(chǎn)品已用于深圳市223路混和動(dòng)力公交車上[9]。這些成果將繼續(xù)推動(dòng)中國對電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)方面的研究。

2 電池管理系統(tǒng)介紹

電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車穩(wěn)定高效運(yùn)行的保證，在電動(dòng)汽車的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)是汽車動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車之間的重要紐帶,主要功能包括：監(jiān)測單體電池的電壓；控制單體電池充放電均衡；觀測電池充放電電流和溫度；估算電池的SOC；與整車監(jiān)控系統(tǒng)、車載充電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)總線通訊；協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化電動(dòng)汽車的電量分配等。

電池管理系統(tǒng)的組成包括BMS中心控制器、充電機(jī)、熱管理系統(tǒng)、車載監(jiān)控系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、電流傳感器、負(fù)載和電池組，其總體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

3 SOC介紹

準(zhǔn)確估計(jì)SOC是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，準(zhǔn)確估算電池組SOC對整車的安全性能和車輛性能具有重要意義。

圖2 電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 SOC的定義

關(guān)于SOC的定義最早始于美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)。SOC(state of charge)是指電池的荷電狀態(tài)，也指電池的剩余電量。通過SOC能夠更好地了解電池的使用情況，從而做出相應(yīng)的處理。

3.2 SOC的檢測

對電池組SOC的檢測，要通過電池組的SOC值大小來判斷。在20 ℃時(shí)，電池通過充電使電壓達(dá)到終止電壓(一般情況下鋰電池的終止電壓為4.2 V)，且充電電流小于給定值(100 mA)的狀態(tài)為電池的滿電荷狀態(tài)，此時(shí)給定的SOC值為1。此外，電池通過放電使電池組電壓達(dá)到截止電壓(一般情況下，鋰電池的截止電壓為3.6 V)時(shí)候的狀態(tài)為空電荷狀態(tài)，此時(shí)給定SOC值為0。

3.3 SOC估算作用

對電池組SOC的準(zhǔn)確估算主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面[10]：

1)表征電池放電深度，研究電池的壽命問題；

2)SOC估算作為電池均衡問題開啟條件，可以研究電池組的均衡管理問題；

3)SOC估算作為制動(dòng)能量回收策略制定的依據(jù)，可以研究能量回收的問題。

3.4 SOC的估算公式的由來和修正

3.4.1SOC的定義

1)從容量角度，電池SOC的定義[11]為在一定的放電倍率下，在相同條件下電池剩余容量與其額定容量之比：

(1)

2)從能量角度，電池SOC的定義[11]為在一定的放電倍率下，剩余能量與總可用的能量之比：

(2)

其中:E是電動(dòng)汽車電池已釋放出的能量；EN是總的可用能量。

3.4.2SOC的影響因素及對其修正

電池SOC進(jìn)行估算時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)誤差，而造成誤差的主要原因[12]是：① 電池的充放電效率；② 溫度的影響；③ 電池的循環(huán)壽命；④ 電池的充放電倍率；⑤ 電池的自放電等。

因此，應(yīng)該通過這些主要的影響因素來重新估算電池的SOC公式。

電池SOC的變化可以表示為

(1)智慧城市感知質(zhì)量、智慧城市發(fā)展水平與智慧城市建設(shè)滿意度呈現(xiàn)正相關(guān)(H1，H2)得到驗(yàn)證，且在0.05水平下是顯著的。這表明智慧城市感知質(zhì)量與智慧城市發(fā)展水平的提高會(huì)較大程度地提高居民的生活服務(wù)水平，對市民對智慧城市建設(shè)的滿意度有較大影響。

(3)

其中：SOCO是初始值；I是放電電流；TS是時(shí)間。

在充放電效率影響下，引進(jìn)充放電轉(zhuǎn)換因子K1；在溫度的影響下，引進(jìn)溫度影響系數(shù)K2；在電池循環(huán)壽命的影響[13]下，引進(jìn)影響系數(shù)K3；由于電池充放電倍率的影響，引入了影響系數(shù)K4；根據(jù)電池的自放電影響，引進(jìn)其影響系數(shù)K5。為了簡便，將其影響系數(shù)合并：

K=K1×K2×K3×K4×K5

得到最終修正后的SOC公式為：

(4)

3.4.3SOC的估算方法

SOC的估算方法從最開始的開路電壓法和安時(shí)積分法，發(fā)展到最近的卡爾曼濾波估計(jì)模型算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[14-15]。

1)開路電壓法，也稱OCV法。一般通過建立SOC-OCV之間的對應(yīng)關(guān)系以達(dá)到對SOC估測的目的，但這種方法只能用于靜態(tài)估值(只有汽車在靜止的情況下使用)。

2)安時(shí)積分法，也稱AH法。在進(jìn)行剩余電量估算時(shí)，需對電池組的充放電電量進(jìn)行計(jì)量并累加，將時(shí)間上累積的充放電電量與滿電荷狀態(tài)的額定電量的比值作為電池組當(dāng)前電量的估算[16]。由于僅考慮充放電電流和時(shí)間兩個(gè)因素，該方法簡單易實(shí)現(xiàn)[17]，其定義[18]為

(5)

其中：Q表示額定容量;i表示電池電流;η表示充放電效率。

安時(shí)積分法是一種簡單、可靠且流行的SOC估算方法。

3)擴(kuò)展卡爾曼濾波法，也稱EKF法。這種方法可以在不需要?dú)v史數(shù)據(jù)的情況下作出準(zhǔn)確的預(yù)測，但是它并不能估計(jì)出非線性時(shí)變系統(tǒng)下的狀態(tài)。

4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。這種算法對模型的依賴性不大，但是對硬件的要求很高，且需要很多數(shù)據(jù)。

以上幾種對SOC估算的算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。

表1 SOC方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

4 電池均衡

在一個(gè)大的電池組中，包含幾十組或者上百組單體電池，而這些單體電池都有自己的特性，正是由于各個(gè)單體電池在老化程度、充放電特性等存在差別，單體電池的電池容量、內(nèi)阻、電壓等存在不一致性。而這種現(xiàn)象很有可能會(huì)降低電池組的總?cè)萘?。所以，?yīng)用電池均衡技術(shù)，可有效避免這些問題的發(fā)生。在電池均衡的問題上，解決電池組內(nèi)單體電池間的不平衡是電池管理系統(tǒng)的重要任務(wù)。通過不斷實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償不同電池間差異、降低對電池組的損壞、延長電池壽命，這些都將是電池管理系的核心問題[19]。所以，電池的均衡技術(shù)是電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)重點(diǎn)研究的方向之一。

4.1 均衡管理的現(xiàn)狀

電池均衡的研究方向[10]主要分為兩大類：一類是通過電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電池的均衡；另一類是通過電池外部電路連接來實(shí)現(xiàn)電池的均衡。

4.2 電池均衡方案的分類[20]

按照均衡功能分類分為充電均衡、放電均衡和雙向均衡；按照能耗分類分為能量消耗型和非能量消耗型；按照均衡電路拓?fù)湫问椒诸惙譃楠?dú)立式均衡和集中式均衡；以觸發(fā)時(shí)機(jī)分類[21]可分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。其中，主動(dòng)均衡是非能量消耗型均衡，被動(dòng)均衡是能量消耗型均衡。本文將主要闡述被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡的方法。

4.2.1被動(dòng)均衡型

被動(dòng)均衡的原理是以電池組中單體電池的多余的能量通過熱能的形式消耗。這種方法控制邏輯簡單、成本較低、硬件上很容易實(shí)現(xiàn)，但是能量損耗較大，效率偏低[22-24]。圖3是被動(dòng)均衡的簡單示意圖。

被動(dòng)均衡用的方法主要是電阻消耗法[3]。圖4為電阻消耗法的結(jié)構(gòu)示意圖。

4.2.2主動(dòng)均衡型

主動(dòng)均衡技術(shù)是電池管理技術(shù)的重點(diǎn)研究方向，其原理是能量的轉(zhuǎn)移，將單體能量高的轉(zhuǎn)移到單體能量低的或用整組能量補(bǔ)充單體電池。主動(dòng)均衡主要的方法是電感式主動(dòng)均衡、開關(guān)電容式主動(dòng)均衡、變壓器式主動(dòng)均衡。

圖4 電阻均衡法

圖5為開關(guān)電容式主動(dòng)均衡的結(jié)構(gòu)示意圖[25]。開關(guān)電容式主動(dòng)均衡是利用電容作為能量搬運(yùn)的中間載體，從而實(shí)現(xiàn)了不同單體電池之間的能量轉(zhuǎn)移。

圖5 開關(guān)電容式主動(dòng)均衡

變壓器式主動(dòng)均衡是通過一個(gè)多輸出的變壓器，每個(gè)變壓器的一端連接一個(gè)單體電池，數(shù)量保持一致。正是因?yàn)槊恳粋€(gè)單體電池都需要附帶一個(gè)變壓器，這樣實(shí)現(xiàn)起來就很困難。圖6是變壓器式主動(dòng)均衡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 變壓器式主動(dòng)均衡

5 熱管理系統(tǒng)

作為新能源汽車重要組成部分的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本等關(guān)鍵因素。鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時(shí)，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，鋰離子電池的熱相關(guān)問題直接影響電池的安全性，電池的內(nèi)部熱量不容易散出，可能會(huì)出現(xiàn)電池內(nèi)部溫度不均或者局部溫升過高等問題，進(jìn)一步加速電池衰減，而且會(huì)縮短電池壽命，并增加用戶的總體擁有成本。因此，需要通過電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)處理這些問題。

6 未來的發(fā)展方向

在國家的大力支持下，電動(dòng)汽車的發(fā)展十分迅速，但是還處于初期階段，而BMS作為電池關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)階段雖有較大的突破和研究成果，但仍有許多地方需要完善和改正。

1)精確估算電池SOC仍將是今后研究的重點(diǎn)。

2)電池組均衡問題目前仍是一個(gè)難題，迫切需要提出合理的方案，對電池組做一個(gè)高效綜合的電池均衡。

3)BMS的安全性能也至關(guān)重要，只有具備較好的安全性，才會(huì)受到消費(fèi)者的青睞。其中，熱管理系統(tǒng)是保障BMS安全性能的重點(diǎn)，將是今后的研究方向。

4)目前，國外大多數(shù)成熟的BMS都只針對單一特定的電池或電池組研發(fā)，通用性較差，所以對更為通用的BMS的研發(fā)將成為今后的發(fā)展方向[26]。

7 結(jié)束語

電動(dòng)汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車穩(wěn)定高效運(yùn)行的保障，在電動(dòng)汽車的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，是推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的必然動(dòng)力。電池管理系統(tǒng)一直都會(huì)是熱門研究方向，在未來的研究中，BMS將更好地服務(wù)電動(dòng)汽車，獲得更大的進(jìn)展。