新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孟祥瑋，趙海波，姜春寶

（惠州海關(guān)綜合技術(shù)中心，廣東 惠州 516006）

0 引言

隨著傳統(tǒng)石化能源的不可再生消耗以及汽車數(shù)量的劇增，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類生活水平的提高，但是也讓人類面臨著嚴(yán)峻的能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題，因此，為了提倡節(jié)能和環(huán)保，新能源汽車成為未來(lái)發(fā)展的主要方向，隨著對(duì)低碳生活的追求，世界各國(guó)逐漸開(kāi)始重視新能源的開(kāi)發(fā)利用。為了降低溫室氣體的排放和大氣污染，推廣新能源體系電池在交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義，也受到越來(lái)越多人的關(guān)注和研究，新能源汽車也逐漸走入到人們的日常生活中。目前，電池在新能源汽車領(lǐng)域尚未得到廣泛推廣應(yīng)用的主要因素在于電池使用的安全性和成本問(wèn)題，延長(zhǎng)電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。

電池管理系統(tǒng)是連接動(dòng)力電池和汽車的重要系統(tǒng)，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，能直接影響電動(dòng)汽車的性能。近年來(lái)，隨著人們對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航能力以及動(dòng)力電池安全性及壽命的追求持續(xù)增長(zhǎng)，電池管理系統(tǒng)的重要性日益受到重視[1]。電池管理系統(tǒng)作為汽車動(dòng)力電池的管理者，擁有車輛運(yùn)行時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于改進(jìn)提升汽車動(dòng)力系統(tǒng)、乃至整車性能都具有極高價(jià)值，因而占據(jù)電池產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值最高。為了保證新能源汽車安全、高效的運(yùn)行以及提高電池使用壽命，電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于新能源汽車至關(guān)重要。

1 電池管理系統(tǒng)研究的意義及現(xiàn)狀

1.1 電池管理系統(tǒng)研究的意義

1.1.1 符合國(guó)家政策導(dǎo)向和全球發(fā)展熱點(diǎn)

隨著新能源緊缺、石油漲價(jià)、城市環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，替代石油的新能源開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越被各國(guó)政府所重視。新能源體系中，電池系統(tǒng)是其中不可或缺的重要組成部分，近年來(lái)，以電池管理系統(tǒng)為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車作為主力軍得到國(guó)家大力支持，受到人們的關(guān)注，成為全球電動(dòng)汽車發(fā)展熱點(diǎn)。

1.1.2 最優(yōu)化效能的電池管理系統(tǒng)成為新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)

新能源汽車的發(fā)展存在許多動(dòng)力電池需要解決和完善的問(wèn)題，而動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心能源，目前動(dòng)力電池存在能量密度低、循環(huán)壽命短等問(wèn)題[2]。同時(shí)，新能源汽車動(dòng)力電池的能量密度和壽命問(wèn)題，也一直影響和制約著新能源汽車的普及與應(yīng)用。傳統(tǒng)電池系統(tǒng)的低壽命、質(zhì)量重、體積大、污染嚴(yán)重成為本領(lǐng)域人員急待解決的一個(gè)技術(shù)難題，因此，高能量密度、長(zhǎng)使用壽命的電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于新能源汽車是必然發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 電池管理系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前電池管理系統(tǒng)電池充放電效率高達(dá)98%以上，但高效率同時(shí)產(chǎn)生了極差的抗不均衡性特性，在最優(yōu)化電池效能的同時(shí)還要防止電池單體發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電以及過(guò)電流等問(wèn)題。隨著電池研發(fā)技術(shù)的不斷提高，新能源汽車電池系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如下所述：

（1）隨著新能源汽車安全性要求的提高，汽車標(biāo)委會(huì)正在制定電池管理系統(tǒng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電池管理系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將日趨嚴(yán)格；

（2）隨著三元電池模組滲透率提升和研究，使得對(duì)電池安全性的管理要求越來(lái)越嚴(yán)格；

（3）電池管理系統(tǒng)的核心在于主動(dòng)式電池均衡和電流積分估算算法設(shè)計(jì)，輕資產(chǎn)硬件設(shè)計(jì)公司將有較高盈利能力；

（4）整車企業(yè)和電池單體企業(yè)都有向電池管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈延伸規(guī)劃，技術(shù)壁壘和研發(fā)投入制約，上下游企業(yè)延伸難度高，電池管理系統(tǒng)整體解決外包是一種合理市場(chǎng)行為。

2 當(dāng)前新能源汽車電池管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.1 電池過(guò)度充電導(dǎo)致電池過(guò)熱，電池循環(huán)壽命降低

新能源汽車運(yùn)行中所需要的動(dòng)能是通過(guò)電池系統(tǒng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)提供的。如果對(duì)電池過(guò)度充電時(shí)，一方面，會(huì)降低電池在化學(xué)反應(yīng)中的還原能力，導(dǎo)致電池循環(huán)次數(shù)減少。另外，會(huì)導(dǎo)致電極表面半透膜發(fā)生破裂，使得電極材料與電極液接觸發(fā)生反應(yīng)，減少電極材料的活性容量，增加電解液的副反應(yīng)產(chǎn)物。另一方面，由于充電的過(guò)程中電池溫度會(huì)提高，溫度上升會(huì)造成電極材料和電解液分解，釋放熱量，從而導(dǎo)致發(fā)生“熱失控”的情況引發(fā)電池爆炸或著火現(xiàn)象。

2.2 放電到某個(gè)閾值以下會(huì)永久性降低電池容量

新能源汽車最重要部分就是電池，電池的容量決定電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，對(duì)于電池管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行充放電時(shí)，電池系統(tǒng)有一個(gè)安全使用的電池放電的電壓閾值范圍。如果當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定的電壓閾值以下時(shí)，還要繼續(xù)放電，就會(huì)出現(xiàn)電池過(guò)放現(xiàn)象。電池在使用過(guò)程當(dāng)中，以較大電流過(guò)大造成過(guò)度放電使得大量熱量放出，這會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重破壞電極活性物質(zhì)的可逆性，造成電池內(nèi)阻逐漸增加，從而加速電池的衰退，大大降低電池的充電接受能力，導(dǎo)致電池性能降低和損壞，電池的容量明顯衰減。

2.3 均衡的一致性效果不理想，降低輸出功率，動(dòng)力性能降低

電池系統(tǒng)均衡的一致性是指將電池系統(tǒng)內(nèi)的所有電池單體的綜合性能趨于一致。隨著電池系統(tǒng)的使用，電池單體之間性能會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越大的差異。影響電池均衡性一致的因素包括電池單體自身因素和使用環(huán)境因素，電池單體材料和生產(chǎn)工藝不同會(huì)導(dǎo)致電池單體在性能方面存在微小差別，使用環(huán)境包括溫度、壓力等因素變化也會(huì)造成電池存在一致性差異。電池管理系統(tǒng)作為新能源汽車的關(guān)鍵核心部件，電池系統(tǒng)中電池單體之間的一致性問(wèn)題，對(duì)于電池系統(tǒng)使用壽命、整車安全性等方面都顯得尤為重要[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，因電池單體之間綜合性能的差異性，如果電池系統(tǒng)中的某一電池單體失效，將會(huì)形成“多諾米效應(yīng)”，致使整個(gè)電池系統(tǒng)整體失效，嚴(yán)重影響電池組的安全和使用壽命，并嚴(yán)重影響整車的正常使用。

2.4 電池單體對(duì)環(huán)境溫度敏感性較差，導(dǎo)致整體電池管理系統(tǒng)散熱性較差

環(huán)境溫度對(duì)電池管理系統(tǒng)的綜合性能和使用壽命影響較大。在低溫情況下，在低溫充電時(shí)，由于電極材料的特殊性可能會(huì)造成電池內(nèi)部極化增大，電池?zé)o法充電；在低溫放電時(shí)，電池的性能也大幅衰減。在高溫情況下，則由于電池內(nèi)部不可逆副反應(yīng)的大量增加，導(dǎo)致電池容量的快速衰減使得電池組迅速失去工作能力，甚至可能由于電池內(nèi)部熱量無(wú)法散去。

3 當(dāng)前新能源汽車電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 通過(guò)設(shè)置隔離式被動(dòng)均衡裝置，實(shí)現(xiàn)整體電池管理系統(tǒng)的散熱

新能源汽車是以電池模組作為汽車動(dòng)力的來(lái)源，電池模組的狀態(tài)決定了汽車的運(yùn)行狀態(tài)。電池模組通常是由多個(gè)串聯(lián)的電池單體組成，均衡電路是電池管理系統(tǒng)的一部分。均衡電路的目的是消除電池單體之間的差異性，以達(dá)到電池模組輸出容量的最大化。電池管理系統(tǒng)的均衡裝置主要用于在電池模組發(fā)生一致性惡化后，且已無(wú)法通過(guò)調(diào)整運(yùn)行方式來(lái)進(jìn)行一致性優(yōu)化時(shí)對(duì)電池模組進(jìn)行被動(dòng)式均衡[4]，以提高電壓、容量的一致性和利用率。但是，目前，市面上的電池組均衡裝置在使用時(shí)，電池充電即會(huì)產(chǎn)生熱量，且電阻上的熱量會(huì)使得裝置內(nèi)部發(fā)熱的問(wèn)題更加嚴(yán)重，造成均衡效果不明顯。

鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)整體電池管理系統(tǒng)的散熱效果，通過(guò)設(shè)置隔離式被動(dòng)均衡裝置，將電池模組的電池單體設(shè)置體外對(duì)應(yīng)電池單體的終止電壓裝置，每個(gè)終止電壓裝置由放電控制電路和電阻控制，每個(gè)終止電壓裝置通過(guò)人為連接方式與電池模組上的對(duì)應(yīng)電池單體連接，構(gòu)成若干個(gè)放電回路以對(duì)每個(gè)單體電池單獨(dú)進(jìn)行放電。在電池管理系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)電池模組由于放電產(chǎn)生較多的熱量且超過(guò)電池單體終止電壓時(shí)，單體電池就會(huì)自動(dòng)停止放電，避免了因電阻放電時(shí)產(chǎn)生大量的熱在電池模組內(nèi)積蓄而對(duì)整個(gè)電池管理系統(tǒng)造成影響的問(wèn)題，解決了電池放電產(chǎn)熱的問(wèn)題，而且達(dá)到了電池管理系統(tǒng)整體均衡的一致性的目的。

3.2 通過(guò)添加格柵液冷板，實(shí)現(xiàn)整體電池管理系統(tǒng)的散熱

目前，電池管理系統(tǒng)的散熱通過(guò)采用軟包鋰電池的方式讓電池模組進(jìn)行散熱，但其散熱效率較低且散熱周期長(zhǎng)，另外，電池模組散熱的時(shí)候，只是簡(jiǎn)單的依靠電池本身的散熱效率，將會(huì)大大的影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱效果，同時(shí)導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)整體上不能適應(yīng)超寬溫域的使用需要。

為了改善整體電池管理系統(tǒng)的散熱功能，電池管理系統(tǒng)采用上層格柵液冷板和下層格柵液冷板，有效的將鋰離子電池系統(tǒng)中的電池模組的熱量進(jìn)行散出[5]，有效地消除了現(xiàn)有技術(shù)中電池管理系統(tǒng)通過(guò)軟包電池自身散熱的缺陷，將電池管理系統(tǒng)中增加上層格柵液冷板和下層格柵液冷板，可快速的將電池模組的熱量帶出，尤其是能夠適合不同溫域的工作環(huán)境，從而讓電池管理系統(tǒng)適合超寬溫域。

4 結(jié)束語(yǔ)

在新時(shí)代背景下，基于能源結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境保護(hù)壓力，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為迫切需求。電池管理系統(tǒng)是新能源汽車的重要組成部分，其性能直接影響新能源汽車的性能。綜合本文的研究可知，從當(dāng)前電池管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)具體問(wèn)題具體分析，揭示了當(dāng)前新能源電池管理系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，通過(guò)分析問(wèn)題原因研究有效策略，通過(guò)對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)自身散熱差的缺陷，有效地提高了均衡電路的可靠性，并且可以提高均衡電流，加快了單個(gè)電池均衡的時(shí)間。為全面實(shí)現(xiàn)新能源汽車的推廣成熟度和使用安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。