電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)研究＊

楊培善，白銀

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宿州 234000）

前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和能源問題的出現(xiàn)，純電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保、零排放及控制性能好等綜合優(yōu)點(diǎn)，受到汽車車商及研究者的青睞。其中，電池組的續(xù)行里程是消費(fèi)者的關(guān)注點(diǎn)，它嚴(yán)重影響著電動(dòng)汽車的銷售及發(fā)展。因此，對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與動(dòng)力性起到優(yōu)化作用的電池管理系統(tǒng)得也迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。電池管理系統(tǒng)可以完成以下幾點(diǎn)功能：測(cè)定電池組SOC、SOH 等，估計(jì)剩余電量和健康狀態(tài)；監(jiān)測(cè)及調(diào)整動(dòng)力電池組及單個(gè)電池的工作參數(shù)，進(jìn)行均衡管理和熱管理，提高安全性、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

國(guó)外很早就有對(duì)于電池管理系統(tǒng)的開發(fā)與使用。國(guó)外個(gè)別企業(yè)早期開發(fā)的已應(yīng)用在汽車上的電池管理系統(tǒng)，比較好的有聯(lián)電、大陸、德爾福、AVL 和FEV 等。以往典型的電池管理系統(tǒng)有：德國(guó)的BADICHEQ 系統(tǒng)與BATTMAN 系統(tǒng)；日本豐田汽車開發(fā)的用于混動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)；美國(guó)的特斯拉純電動(dòng)汽車使用的電池管理系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)開始研究電池管理系統(tǒng)晚于國(guó)外，但發(fā)展迅速，比較好的公司有奇瑞、比亞迪、江淮、北汽等。國(guó)內(nèi)高校早期也成功研發(fā)了用于純電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)，成功應(yīng)用于08 年奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)大巴。國(guó)內(nèi)各大廠商也都各自成功推出自主開發(fā)的BMS 產(chǎn)品并應(yīng)用于電動(dòng)汽車，如奇瑞，比亞迪、北汽等自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)成功的應(yīng)用于各自的車型。國(guó)內(nèi)電池技術(shù)和電池管理系統(tǒng)的高速發(fā)展必將能夠帶動(dòng)中國(guó)電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，直至超越國(guó)外。

2 BMS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電池管理系統(tǒng)的分類及功能

電池管理系統(tǒng)按照硬件結(jié)構(gòu)及功能來分，基本上可分為兩種結(jié)構(gòu)：集中式與分布式。集中式把BMS 的所有測(cè)量功能直接集成在一個(gè)控制器ECU 中。分布式設(shè)計(jì)一個(gè)主控制器和多個(gè)從控制器。集中式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、走線簡(jiǎn)單，成本低；分布式的優(yōu)點(diǎn)是控制靈活，便于擴(kuò)展。

電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下內(nèi)容：采集單體電池及電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)并進(jìn)行管理；采集電池信息進(jìn)行SOC 估計(jì)；對(duì)電池組進(jìn)行均衡控制；對(duì)電池組進(jìn)行熱管理。

2.2 SOC 估計(jì)的方法

電池荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，它反映電池的剩余電量，預(yù)估續(xù)航里程，精度越高，續(xù)航里程數(shù)越高。下面介紹幾種用的較多的SOC 估計(jì)的方法：

（1）安時(shí)積分法，是一種簡(jiǎn)單常用的SOC 估算方法，但它有明顯的誤差積累需要定期采用其他方法進(jìn)行校正，且SOC 的初始狀態(tài)對(duì)SOC 估計(jì)的準(zhǔn)確性也有很大影響。因此，安時(shí)積分法較多應(yīng)用于對(duì)SOC 值精度要求不高的場(chǎng)合，如鉛酸電池作為動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車的能量管理。若想用于其它高精度較高的估算，則必須結(jié)合其它算法進(jìn)行改進(jìn)，如開路電壓法和卡爾曼濾波法。

（2）開路電壓法，它在測(cè)量時(shí)需要幾個(gè)小時(shí)恢復(fù)時(shí)間才能穩(wěn)定至SOC 的對(duì)應(yīng)值。因?yàn)樗陔姵爻潆姷某跗诤湍┢谛Ч诲e(cuò)，所以開路電壓常常與其它方法配合，較多地應(yīng)用于對(duì)SOC 值精度要求較高的場(chǎng)合。

（3）卡爾曼濾波法及其改進(jìn)算法因?yàn)榱己眠m應(yīng)性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這個(gè)方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)可以給出估計(jì)的誤差，但對(duì)于硬件及電池模型的要求較高，計(jì)算量較大，同時(shí)卡爾曼濾波吱的前提是假設(shè)所有噪聲為白噪聲，這也是它的一個(gè)局限性。

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，是一種采用非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)SOC 的方法。該方法可以應(yīng)用于各種類型的汽車動(dòng)力電池，若電池模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得也較好，SOC 估算誤差可以達(dá)到小于10%。在實(shí)際的使用時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的估算精度在很大程度上會(huì)受到訓(xùn)練樣本和訓(xùn)練方法的影響，且易受干擾。

（5）支持向量機(jī)，本方法是一種基于支持向量機(jī)的荷電狀態(tài)SOC 估算方法，支持向量機(jī)是統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論發(fā)展的產(chǎn)物。若支持向量機(jī)能被很好的優(yōu)化，則支持向量機(jī)算法就能夠產(chǎn)生較精確的SOC 估算精度。

（6）其它算法。其它算法還有內(nèi)阻法、負(fù)載電壓法及放電實(shí)驗(yàn)法等在電動(dòng)汽車電池管理中應(yīng)用逐年減少。

2.3 電池均衡的方法

應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的單體電池存在著一定的差別，這種差別會(huì)縮短電池的使用壽命，以及起火、爆炸等問題，因此均衡管理應(yīng)運(yùn)而生。電池的均衡控制主要有主動(dòng)式均衡控制和被動(dòng)式均衡。

（1）被動(dòng)式均衡技術(shù)，是在單體電池上并聯(lián)電阻，將能量高的電池的多余能量通過并聯(lián)的電阻以熱能的方式進(jìn)行放熱，直到電池的狀態(tài)與其它電池一致，此方法也稱為能量耗散型均衡。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本低，缺點(diǎn)是效率較低且浪費(fèi)動(dòng)力電池的能量。

（2）主動(dòng)式均衡技術(shù)，是能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，把能量多的電池的能量轉(zhuǎn)移到能量少的電池。此方法因?yàn)闆]有能量損耗而得到廣泛應(yīng)用。主動(dòng)式均衡技術(shù)按能量流動(dòng)方式又分為兩種。集中式：從整個(gè)電池組中獲取能量補(bǔ)充到能量少的電池；分散式的均衡在相鄰電池之間安裝一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，讓能量在相鄰電池之間流動(dòng)。

2.4 電池組熱管理

熱管理是電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。電池單元的環(huán)境溫度對(duì)其使用性能、安全性、壽命及成本有著極大的影響。溫度是能量與功率性能的直接影響因素。安全性主要指如溫度較低時(shí)，可能因瞬間的電壓過充現(xiàn)象引發(fā)短路；電池本身及操作不當(dāng)可能引起電池局部過熱，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件。電池的使用壽命又與其工作時(shí)的溫度及存放時(shí)的溫度有關(guān)。

因此電池的熱管理系統(tǒng)要完成以下基本功能：監(jiān)測(cè)電池組溫度并在溫度超過安全線時(shí)實(shí)行有效的散熱，預(yù)防熱失控事故的發(fā)生；電池溫度較低時(shí)會(huì)影響其充電、放電和安全性，因此熱管理要有預(yù)熱功能；對(duì)電池組內(nèi)部的溫度差異進(jìn)行有效的控制，以延長(zhǎng)電池組的壽命；當(dāng)產(chǎn)生有害氣體時(shí)，快速通風(fēng)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)對(duì)電池管理系統(tǒng)研發(fā)扶持力度較強(qiáng)，發(fā)展迅猛，大有趕超國(guó)外之勢(shì)，同時(shí)國(guó)家有意引導(dǎo)電池管理系統(tǒng)朝輕量化、高比能、易拆解與綠色設(shè)計(jì)方向發(fā)展。