電動汽車動力電池管理系統(tǒng)控制問題研究

趙書美　魏冬

摘 要：合理的動力電池容量管理以及系統(tǒng)控制設(shè)計方法不僅能夠有效地將各類動力電池容量控制在最優(yōu)化的工作效率區(qū)間，對于有效保障各類動力電池的可充電性能、一致性、安全性和電池使用壽命等均具有重要指導(dǎo)作用。作為現(xiàn)代混合能源動力車型汽車的一個關(guān)鍵部件，動力電池對提升整車綜合動力性、經(jīng)濟性和駕駛安全性等都具有重大戰(zhàn)略影響。

關(guān)鍵詞：動力電動汽車控制 動力電池能源管理 動力系統(tǒng)控制

Research on Control Problems of Power Battery Management System for Electric Vehicles

Zhao Shumei，Wei Dong

Abstract：Reasonable power battery capacity management and system control design methods can not only effectively control the capacity of various power batteries within the optimal working efficiency range， but also effectively guarantee the rechargeability， consistency， and safety of various power batteries. The service life of the battery has an important guiding role. As a key component of modern hybrid energy vehicles， the power battery has a significant strategic impact on improving the overall power， economy and driving safety of the vehicle.

Key words：power electric vehicle control， power battery energy management， power system control

當(dāng)前，由于能源與環(huán)境的變化壓力不斷增大，節(jié)能、環(huán)保問題成為世界各國地方政府及電動汽車產(chǎn)業(yè)共同關(guān)注的重要焦點，同時隨著動力電池管理技術(shù)的不斷創(chuàng)新突破，發(fā)展純能源電動汽車已被眾多行業(yè)人士列為發(fā)展新能源電動汽車的一項重要發(fā)展戰(zhàn)略，然而為了使其達(dá)到一定的續(xù)駛性和里程，降低車輛能量驅(qū)動損耗并大大提高動力電機的正常運行控制效率，純能源電動汽車普遍建議采用一種容量大、電壓低和平臺高的新型動力電池，這對汽車動力電池系統(tǒng)是否最終能夠安全、可靠地正常運行控制提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。而動力電池系統(tǒng)作為純純電動汽車的第二部分動力艙，不僅直接決定了電動車輛的主要動力性、續(xù)駛性和里程，同時也是純能源電動汽車的唯一主要能量損耗來源，能否合理運行控制動力電池管理系統(tǒng)安全可靠正常運行也已成為當(dāng)前衡量我國電動汽車行業(yè)能否取得繼續(xù)健康發(fā)展的重要衡量指標(biāo)，結(jié)合項目主創(chuàng)者研發(fā)的一款純能源電動汽車專用動力電池，對其動力電池系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)控制軟件方法應(yīng)用做深入理論解析，研究純能源電動汽車專用動力電池系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)控制方法，延長車輛動力電池整車使用壽命，并使其實現(xiàn)在復(fù)雜使用環(huán)境和緊急工況下安全穩(wěn)定的可靠運行，保證車輛整車使用性能和駕駛?cè)藛T安全。

1 電動汽車動力電池系統(tǒng)

電動汽車集成動力電池系統(tǒng)的集成研究方向，總體上來說可以大致分為動力電池組本身的集成機械系統(tǒng)化集成和動力電池過程管理控制系統(tǒng)的集成研究。其中的汽車電池組本身的內(nèi)部機械系統(tǒng)強度集成主要內(nèi)容包括能夠滿足良好汽車內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)布置的汽車電池組、塑料箱體的外部機械空間強度尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部機械系統(tǒng)強度結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及能夠滿足良好汽車散熱性能條件的電池箱體內(nèi)部空間尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理的汽車電池箱體串聯(lián)散熱方式和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)布置。其汽車自動行駛安全過程管理中安全性故障問題也一直是一個重要技術(shù)議題，必須能夠?qū)崿F(xiàn)有效的的汽車高壓電安全防護管理和汽車故障檢測診斷處理功能。本文在系統(tǒng)分析了國內(nèi)現(xiàn)有的一些動力電池動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，建立了對動力電池的電量動態(tài)模型及各參數(shù)數(shù)值進行精確識別的系統(tǒng)數(shù)學(xué)方法，其研究結(jié)果同時也認(rèn)為可以對各類動力電池長期剩余可用電量的數(shù)值估算校準(zhǔn)提供較好的技術(shù)參考價值，有助于逐步提高電池soc的電量估算校準(zhǔn)精度。目前動力電池組在實際使用前的能量匹配精度要求還比較高，能有效減少一些不均衡性的直接影響，但是仍不能根本本上解決均衡性的影響問題。為了有效解決這種不均衡對傳統(tǒng)鋰離子智能電池組的直接影響，在智能電池組的日常使用管理過程中也就需要充分使用智能電池均衡管理器及其均衡鋰離子系統(tǒng)對其電池進行系統(tǒng)優(yōu)化均衡管理。

2 動力電池系統(tǒng)簡介

動力電池管理系統(tǒng)由動力電池組、電池能量管理控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三個大部分共同組成，三者各部分合理進行匹配，根據(jù)不同使用工況和各種整車使用需求進行充放電，同時可以實現(xiàn)對整車動力電池使用狀態(tài)實時監(jiān)控以及能量消耗管理、安全風(fēng)險管理和健康安全管理。這3個核心系統(tǒng)相輔相成，以系統(tǒng)動力電池為中，電池實時管理核心系統(tǒng)軟件作為整個系統(tǒng)動力電池的實時控制管理核心，用于實時控制和分析管理整個系統(tǒng)動力電池的實際工作環(huán)境狀態(tài)，并充分結(jié)合熱能源管理系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵部件為整個動力電池用戶提供最舒適可靠的電池工作狀態(tài)環(huán)境。

3 電池管理系統(tǒng)

3.1 電池管理系統(tǒng)電氣架構(gòu)

本文中主要涉及的儲能電池電源管理控制系統(tǒng)為分布式儲能電池電源管理控制系統(tǒng)，由1個專用主高壓控制器1個專用高壓電源控制器、2個從高壓控制器及一個相關(guān)數(shù)據(jù)采樣器與控制器總線束連接組成，通過a、can總線連接實現(xiàn)各個從控制器間數(shù)據(jù)信息交互。

3.2 電池管理系統(tǒng)控制方法

動力電池快充系統(tǒng)核心功能建設(shè)能否完全實現(xiàn)，循環(huán)充電壽命多長能否完全滿足用戶整車使用要求，整個充電系統(tǒng)過程能否安全可靠正常運行，這些都與動力電池質(zhì)量管理以及系統(tǒng)控制成本策略密不可分。

3.2.1 工作模式控制

電池工作管理控制系統(tǒng)主要具有以下4種基本工作管理模式：待機管理模式、放電管理模式、充電管理模式、故障報警模式。

待機電池啟動管理模式：系統(tǒng)采用其他電池相關(guān)數(shù)據(jù)自動管理待機啟動模式系統(tǒng)（BMS）在此新的待機啟動模式下不必再需要手動處理任何其他電池相關(guān)數(shù)據(jù)，能耗極低，能快速準(zhǔn)確完成待機啟動。

放電待機模式：BMS汽車在自動待機充電模式下通過檢測車輛放電等信號后，接收到的車輛狀態(tài)控制器（VCU）接收發(fā)來的汽車動力電池系統(tǒng)運行相關(guān)狀態(tài)控制指令和接觸器的相關(guān)動作控制指令，并自動執(zhí)行車輛相關(guān)操作指令，完成車輛BMS上的放電及預(yù)充電工作流程，進入自動放電待機模式。

充電待機模式：BMS系統(tǒng)在車載待機充電模式下自動檢測車載充電信號WAEUP充電信號后，接收充電VCUUP發(fā)來的車載動力電池信號運行相關(guān)狀態(tài)控制指令和接觸器的充電動作控制指令，并自動執(zhí)行充電相關(guān)動作指令，完成運行BMS車載充電工作流程，進入車載充電待機模式，同時與車載充電控制機進行通訊。

故障上報模式：BMS在任何故障模式下每當(dāng)檢測器遇到軟件故障，均自動進入軟件故障上報模式，同時自動上報AAVCU軟件故障上報狀態(tài)和顯示相關(guān)軟件故障上報代碼。

3.2.2 充放電控制方法

通過系統(tǒng)分析動力電芯內(nèi)的充放電相關(guān)功率條件特性，并通過結(jié)合各種動力電池在不同使用環(huán)境、不同使用工況下的電芯充放電功率能力，提出合理的電芯充放電功率條件及充放閥值，提高傳統(tǒng)動力電池進行充放電時的安全性。

根據(jù)不同環(huán)境變化溫度、動力電池快速SOH、SOC及可充電工作功率等不同測量維度均可控制各種動力電池快速及可充電工作條件及電壓閥值。

3.2.3 熱資源管理控制實施方法

根據(jù)我公司BMS公司從中國動力電池控制器應(yīng)用終端網(wǎng)站上報的當(dāng)前使用范圍、環(huán)境空氣凈化溫度和當(dāng)前使用環(huán)境動力電池、當(dāng)前使用空氣溫度等的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，充分考慮后來評估當(dāng)前使用環(huán)境動力電池溫度，是否完全可達(dá)到持續(xù)充分發(fā)揮釋放所用電量的處理能力，控制器可選擇開啟、關(guān)閉等與使用溫度相關(guān)用于動力電池加熱器和動力冷卻器的放電控制裝置。此熱管理功能系統(tǒng)管理模式電熱系統(tǒng)為高溫冷熱冷和風(fēng)冷，模式功能管理系統(tǒng)分為低級高溫充電熱系統(tǒng)功能模式管理和高級低溫放熱式冷卻電熱系統(tǒng)功能模式管理，冷卻式熱系統(tǒng)功能管理裝置系統(tǒng)具有兩個主要管理擋位：一個動力電池?zé)釁s式冷卻功能管理、空調(diào)通過這個一體化熱卻式冷卻功能管理。

4 故障診斷方法

隨著電動車輛長期高速行駛，動力電池發(fā)生短路、開路、電性能明顯下降、過電和充過電或放電及汽車通風(fēng)排水系統(tǒng)不暢等不良現(xiàn)象，均很有可能隨時出現(xiàn)，所以合理的汽車故障檢測診斷管理機制尤為重要。通過對BMS自動監(jiān)控及電氣系統(tǒng)的軟硬件自動匹配，合理配置識別有效安全故障，并及時給出安全啟動預(yù)警或故障保護啟動策略，對于每個安全故障均同時具有三級冗余智能判斷：輕微安全故障、嚴(yán)重安全故障、致命安全故障。

5 安全監(jiān)控方法

安全失效監(jiān)控系統(tǒng)通過利用相關(guān)監(jiān)控軟件的源代碼設(shè)計實現(xiàn)的是對外部功能硬件集成電路和內(nèi)部功能系統(tǒng)零部件的相關(guān)功能安全失效情況判斷，其設(shè)計目的主要在于為汽車動力電池系統(tǒng)增加一層相關(guān)軟件上的冗余安全保護，從而能夠使電動車輛更加安全可靠高效地正常行駛。具體內(nèi)容結(jié)構(gòu)如波形圖所示，通過對資源電壓、電流、溫度、時間、通訊等電源信息的實時監(jiān)控，結(jié)合不同電源信息間的相互關(guān)系，由此對BMS進行處理并分析識別并找出潛在的電源失效工作模式。

6 結(jié)語

綜上所述，電池應(yīng)用管理信息系統(tǒng)控制管理方法不能作為汽車動力電池應(yīng)用中心化的控制系統(tǒng)思想，直接嚴(yán)重影響汽車動力電池的正常使用壽命及動力電動汽車的安全穩(wěn)定運行與提高整車使用性能。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

趙書美：（1986.04—），女，漢族，山東省濟南市，碩士研究生。研究方向：車輛動力學(xué)。