純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉兆鑫　齊洪磊

摘 要：純電動汽車在應(yīng)用的過程中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于鋰電池組的管理工作，文章從這一點出發(fā)分析了純電動汽車的控制器以及系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)工作內(nèi)容，針對控制器的模塊來進行優(yōu)化，減少電路的同時優(yōu)化了功能，希望可以促進其運行效果的進一步提升。

關(guān)鍵詞：電動汽車;電池管理;系統(tǒng)研究

1 前言

汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的過程中，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，其中最主要的問題是氣候的變化和空氣的污染。而空氣的污染，最重要的原因是煤炭等資源的燃燒。由于對資源的過度開發(fā)使得能源日益的緊張。在這樣的背景下純電動驅(qū)動的汽車就成為了重要的研發(fā)方向，鋰離子電池的應(yīng)用對于循環(huán)壽命和能量使用等問題有著較高的要求，文章就此展開分析。

2 BMS設(shè)計

BMS決定電池組的安全性，鋰離子電池滿足能源、循環(huán)壽命和安全性的要求，此外還具有無記憶效應(yīng)、充放電功率大、環(huán)境污染等優(yōu)點。電池管理系統(tǒng)功能強大，可以實時監(jiān)控電動汽車的運行及充電情況。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可及時通過CAN總線反饋給整車控制器等控制系統(tǒng)。此時，車輛的整車控制器或充電器將采取適當(dāng)措施，確保電池組的安全。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為主控制器和子控制器。主控制器應(yīng)用的過程中可以有效的接受子控制器信息內(nèi)容，進而可以在蓄電池充放電的過程中表現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)采集效果，進而后續(xù)的故障控制和報警等工作都可以得到有效的確保。數(shù)據(jù)控制的相關(guān)信息傳輸?shù)杰囕v控制器當(dāng)中，而主控制器則可以獲取車輛的控制器反饋信息，進而能夠?qū)τ贐MS有著良好的相對控制效果。

該系統(tǒng)使用三個子控制器來管理144個單體鋰離子電池。每個子控制器在實際運行的過程中都可以調(diào)動8個控制單元，進而能夠?qū)误w鋰電池進行控制和檢測，可以平衡48個單體鋰離子電池，這三個子控制器監(jiān)控電池電壓，并負(fù)責(zé)主控制器的一些操作。為了避免在使用中對單個電池充電，在實際使用中，單個電池的最大電壓達(dá)到充電極限電壓，BMS會讓整個電池停止充電。同樣，為了避免電池在放電過程中過度放電，當(dāng)單個電池的電壓低于放電終止電壓時，整個電池組將停止工作。放電時，電池中儲存的能量沒有充分利用。如果沒有有效的平衡管理功能，電池之間的電壓差將隨著電池充放電時間的增加而增大，這意味著電池的有效容量將逐漸縮小。這一問題難以得到解決的話，會導(dǎo)致電池的壽命越來越短。解決上述問題的有效途徑是平衡電池組各單元的管理，特別是大容量電池組的管理需要一個高效可靠的平衡管理系統(tǒng)。

純電動車實際運行過程中，必須要保持電池組的供電平衡，讓每個單體鋰離子電池之間的SOC基本一致，確保單體鋰離子電池可以同時滿電同時放電，電池平衡的目的是平衡單個鋰離子電池的剩余功率。由于這個限制，電池之間的容量不可避免地會改變，因此剩余的電池電量很難平衡。電壓是反映電池工作狀態(tài)的重要參數(shù)，雖然電壓不等于電池剩余電量，但仍然是電池充放電的控制參數(shù)。實時電壓監(jiān)測可防止蓄電池在使用過程中發(fā)生故障，過充過放電。因此，電池電壓平衡管理系統(tǒng)能夠更好地達(dá)到平衡的目的，延長電池的使用壽命。

3 CAN設(shè)計方案

CAN設(shè)計過程中首先要進行硬件設(shè)計，讓主控制器和子控制器之間能夠有效的形成通信聯(lián)絡(luò)，進而實際運行的過程中主控制器可以向子控制器發(fā)送相關(guān)的指令，子控制器也可以將具體的工作循環(huán)中故障信息、計算結(jié)果以及基本數(shù)據(jù)等內(nèi)容發(fā)送到主控制器上。

第二個模塊是網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，這一網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用的過程中可以在車輛的控制器之間形成連接，進而在管理系統(tǒng)和控制器之間起到連接和消息傳遞的作用。

第三個模塊是一個自建的本地CAN總線網(wǎng)絡(luò)，主控制器使用網(wǎng)絡(luò)與主機和手持顯示設(shè)備輕松通信，記錄估計的剩余功率、故障排除結(jié)果和基本電池信息。主控制器采用并聯(lián)電流來監(jiān)測和采集電流。在鋰離子電池中，大量的單體電池在相同的工作電流下串聯(lián)，，監(jiān)測系統(tǒng)只需要測量總電流。在監(jiān)控電路中，小的恒定電阻串聯(lián)。作為一個分路器，電流值是根據(jù)兩端的電壓降來計算的。上述方法得到的康斯坦丁電阻降很小，不能用A / D轉(zhuǎn)換，需要信號放大，但不能超過5V，并增加了相應(yīng)的信號放大電路。此外，需要將5V齊納二極管連接到電路上，以保護單片機電路不發(fā)生故障。在主控制器絕緣電阻檢測電路的設(shè)計中，采用pic12f675作為主芯片，檢測電池組到底盤的絕緣電阻。車輛通信系統(tǒng)采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)。為了保證交通安全，防止通信設(shè)備發(fā)生事故，需要增加一個串行通信接口電路來處理突發(fā)事件。在串行通信接口電路設(shè)計中，采用max487作為收發(fā)器，工作電流功耗低，通信穩(wěn)定。主控制器實際上是控制繼電器的開關(guān)。本設(shè)計采用MOS管控制繼電器開關(guān)來保護鋰電池，將二極管添加到線圈中以繼續(xù)流動。MOS管型號為irlr120，源極和漏極之間的最大電壓差為100V，這足以為繼電器的開關(guān)值提供絕對保護。為了調(diào)試和維護蓄電池，需要設(shè)計一個通信接口電路，隨時監(jiān)控蓄電池的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和故障信息。只需將便攜式顯示設(shè)備的插座與接口電路連接，就可以確保維護過程的方便快捷。選擇NH12864S作為設(shè)備顯示模塊。警告裝置通常安裝在駕駛艙內(nèi)。平衡管理控制器分析接收到的數(shù)據(jù)，以確定每個電池是否充滿電。輔助平衡充電器需要打開，如有必要可通過開關(guān)總成將平衡充電電源連接到電池組中電壓最低的單體電池上對電池進行充電，使單體電池在分組平衡電池的過程中獲得更多的能量。可充電電池結(jié)構(gòu)簡單，成本低。然而，這種平衡方法的充電時間受電池的最大電壓和最小電壓之間的差的影響。當(dāng)電池達(dá)到最大電壓極限并且充電過程停止時，未達(dá)到目標(biāo)電壓值的剩余電池只能共享一個電池。一個接一個地平衡充電源需要很長時間。使用直流電。與直流輔助均衡方法相比，直流分量更大。平衡管理系統(tǒng)的工作原理是在充電過程開始時使用主充電器對大電流電池進行快速充電。實際運行的過程中當(dāng)單個電池工作電壓超過傷心的時候，充電器就完全停止工作，實際運行過程中充電器電源開始工作之后，電池組就進入單電池的獨立充電狀態(tài)。在這一過程中，平衡系統(tǒng)對于每個電池的電壓電流進行針對性的監(jiān)控，進而根據(jù)電池表現(xiàn)出來的電壓電流不同而采取不同的充電策略，如果電池電量較低則優(yōu)先使用恒流狀態(tài)進行充電。而電量回升到一定數(shù)值的時候，則切換到恒壓充電的方式。如果充電的電流不足電流下限的話，電源停止工作。

4 電動汽車電池的現(xiàn)狀

電動汽車電池的發(fā)展中，對于新能源汽車電池能分成燃料電池和蓄電池。蓄電池對于純新能源汽車是適合的，主要有鎳氫電池和二次鋰電池等。電能汽車使用的電池主要是蓄電池，隨著電動汽車的不斷發(fā)展，對蓄電池的應(yīng)用量也大大提升，蓄電池是電動汽車的主要驅(qū)動裝置。電動汽車電池應(yīng)用的鎳氫電池和二次鋰電池的應(yīng)用率比較高，能滿足汽車內(nèi)部電子設(shè)備電能需求，對于這一電池也能進行大量的生產(chǎn)，所花費的資金也不是很高。鎳氫電池和二次鋰電池的應(yīng)用量大是因為其自身有著諸多的優(yōu)勢，但是也存在著不足之處，電池如果長時間高強度荷電狀態(tài)，整體能效就會降低，不斷優(yōu)化荷電狀態(tài)是延長電池使用壽命的關(guān)鍵。電動汽車電池中的鎳氫電池也是比較重要的應(yīng)用電池，這一類型的電池應(yīng)用產(chǎn)生的物質(zhì)不會影響環(huán)境，能量產(chǎn)生量也比較高。鎳鋅電池不能持續(xù)使用，而通過充電裝置補充能量，電解液當(dāng)中添加緩蝕劑，能夠提高其應(yīng)用性能。鎳氫電池是多種金屬分成組成的，應(yīng)用在電動汽車當(dāng)中能發(fā)揮其能量優(yōu)勢，功率比較高，運行電壓以及比能量和比功率都是要優(yōu)于鎳氫電池和二次鋰電池的。電動汽車電池的應(yīng)用中鋰離子電池的應(yīng)用在當(dāng)前愈來愈廣泛，從構(gòu)造上來看是傳統(tǒng)構(gòu)造類型，鋰離子金屬氧化物以及有機溶劑溶解的溶液等。

5 電動汽車電池的應(yīng)用前景和發(fā)展展望

2019年，九成以上的電動汽車采用鋰電池，其中2019年1～5月三元鋰電池的市場份額最大達(dá)到55%，比2018年提升10個百分點。相較于鎳氫電池而言，鋰電池的比能量和比功率大、體積小、重量輕。磷酸鐵鋰電池能量密度和比功率存在限制，使其在大規(guī)模的制作中產(chǎn)生問題。未來的發(fā)展的重點將會轉(zhuǎn)移到三元鋰電池上，雖然三元鋰電池綜合性能優(yōu)越，但仍需要優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)的支持。

6 結(jié)束語

文章綜合分析了純電動汽車要進行電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建方面工作內(nèi)容，文章從這一點出法分析了鋰電池管理系統(tǒng)當(dāng)中的控制器運行以及電路模塊化設(shè)計，簡化了電路的同時減少了隔離器數(shù)量，有著良好的應(yīng)用效果。

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作者簡介

劉兆鑫：（1975—），男，本科，工程師;主要從事汽車研究、開發(fā)工作。