電動汽車電源管理系統(tǒng)研究＊

楊培善，白銀

（宿州職業(yè)技術學院，安徽 宿州 234000）

前言

隨著汽車產業(yè)的發(fā)展和能源問題的出現，純電動汽車以其節(jié)能環(huán)保、零排放及控制性能好等綜合優(yōu)點，受到汽車車商及研究者的青睞。其中，電池組的續(xù)行里程是消費者的關注點，它嚴重影響著電動汽車的銷售及發(fā)展。因此，對電動汽車續(xù)駛里程與動力性起到優(yōu)化作用的電池管理系統(tǒng)得也迎來了快速發(fā)展的機遇。電池管理系統(tǒng)可以完成以下幾點功能：測定電池組SOC、SOH 等，估計剩余電量和健康狀態(tài)；監(jiān)測及調整動力電池組及單個電池的工作參數，進行均衡管理和熱管理，提高安全性、延長使用壽命。

1 國內外電池管理系統(tǒng)的研究狀況

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

國內開始研究電池管理系統(tǒng)晚于國外，但發(fā)展迅速，比較好的公司有奇瑞、比亞迪、江淮、北汽等。國內高校早期也成功研發(fā)了用于純電動汽車的電池管理系統(tǒng)，成功應用于08 年奧運會純電動大巴。國內各大廠商也都各自成功推出自主開發(fā)的BMS 產品并應用于電動汽車，如奇瑞，比亞迪、北汽等自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)成功的應用于各自的車型。國內電池技術和電池管理系統(tǒng)的高速發(fā)展必將能夠帶動中國電動汽車的高速發(fā)展，直至超越國外。

2 BMS 系統(tǒng)結構與關鍵技術

2.1 電池管理系統(tǒng)的分類及功能

電池管理系統(tǒng)按照硬件結構及功能來分，基本上可分為兩種結構：集中式與分布式。集中式把BMS 的所有測量功能直接集成在一個控制器ECU 中。分布式設計一個主控制器和多個從控制器。集中式的優(yōu)點是設計、結構、走線簡單，成本低；分布式的優(yōu)點是控制靈活，便于擴展。

電池管理系統(tǒng)的關鍵技術主要包含以下內容：采集單體電池及電池組的電壓、電流、溫度等參數并進行管理；采集電池信息進行SOC 估計；對電池組進行均衡控制；對電池組進行熱管理。

2.2 SOC 估計的方法

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

（1）安時積分法，是一種簡單常用的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行校正，且SOC 的初始狀態(tài)對SOC 估計的準確性也有很大影響。因此，安時積分法較多應用于對SOC 值精度要求不高的場合，如鉛酸電池作為動力電池的電動汽車的能量管理。若想用于其它高精度較高的估算，則必須結合其它算法進行改進，如開路電壓法和卡爾曼濾波法。

（2）開路電壓法，它在測量時需要幾個小時恢復時間才能穩(wěn)定至SOC 的對應值。因為它在電池充電的初期和末期效果不錯，所以開路電壓常常與其它方法配合，較多地應用于對SOC 值精度要求較高的場合。

（3）卡爾曼濾波法及其改進算法因為良好適應性得到了越來越廣泛的應用。這個方法具有較強的適應性，同時可以給出估計的誤差，但對于硬件及電池模型的要求較高，計算量較大，同時卡爾曼濾波吱的前提是假設所有噪聲為白噪聲，這也是它的一個局限性。

（4）神經網絡法，是一種采用非線性映射的神經網絡估計SOC 的方法。該方法可以應用于各種類型的汽車動力電池，若電池模型的神經網絡訓練得也較好，SOC 估算誤差可以達到小于10%。在實際的使用時，神經網絡法的估算精度在很大程度上會受到訓練樣本和訓練方法的影響，且易受干擾。

（5）支持向量機，本方法是一種基于支持向量機的荷電狀態(tài)SOC 估算方法，支持向量機是統(tǒng)計學習理論發(fā)展的產物。若支持向量機能被很好的優(yōu)化，則支持向量機算法就能夠產生較精確的SOC 估算精度。

（6）其它算法。其它算法還有內阻法、負載電壓法及放電實驗法等在電動汽車電池管理中應用逐年減少。

2.3 電池均衡的方法

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

（1）被動式均衡技術，是在單體電池上并聯電阻，將能量高的電池的多余能量通過并聯的電阻以熱能的方式進行放熱，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。這種方式結構簡單可靠，成本低，缺點是效率較低且浪費動力電池的能量。

（2）主動式均衡技術，是能量轉移技術，把能量多的電池的能量轉移到能量少的電池。此方法因為沒有能量損耗而得到廣泛應用。主動式均衡技術按能量流動方式又分為兩種。集中式：從整個電池組中獲取能量補充到能量少的電池；分散式的均衡在相鄰電池之間安裝一個儲能環(huán)節(jié)，讓能量在相鄰電池之間流動。

2.4 電池組熱管理

熱管理是電池管理系統(tǒng)的一個關鍵技術之一。電池單元的環(huán)境溫度對其使用性能、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，可能因瞬間的電壓過充現象引發(fā)短路；電池本身及操作不當可能引起電池局部過熱，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件。電池的使用壽命又與其工作時的溫度及存放時的溫度有關。

因此電池的熱管理系統(tǒng)要完成以下基本功能：監(jiān)測電池組溫度并在溫度超過安全線時實行有效的散熱，預防熱失控事故的發(fā)生；電池溫度較低時會影響其充電、放電和安全性，因此熱管理要有預熱功能；對電池組內部的溫度差異進行有效的控制，以延長電池組的壽命；當產生有害氣體時，快速通風。

3 結語

我國對電池管理系統(tǒng)研發(fā)扶持力度較強，發(fā)展迅猛，大有趕超國外之勢，同時國家有意引導電池管理系統(tǒng)朝輕量化、高比能、易拆解與綠色設計方向發(fā)展。