淺析混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)（5000/20）

汪洋青　段慧云

摘 要：如今，人們越來越關(guān)心自己所駕駛的交通工具。目前，我國大部分汽車仍然使用石油、天然氣等燃料，其排放的尾氣對環(huán)境和氣候產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響，同時(shí)燃料消耗也日益增加?；旌蟿?dòng)力車是汽車領(lǐng)域中的一大亮點(diǎn)。它具有低排放、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，克服了純電動(dòng)汽車使用壽命短的缺陷。與傳統(tǒng)的汽車相比，混合動(dòng)力汽車最顯著的特點(diǎn)是在動(dòng)力系統(tǒng)中加入了能量電池。在低污染、高經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，對發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池進(jìn)行了協(xié)調(diào)。鑒于能量電池在汽車領(lǐng)域中的作用，要對其進(jìn)行有效的管理，這是電池管理系統(tǒng)的職責(zé)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 電池管理系統(tǒng) 荷電狀態(tài)

A Brief Analysis of Battery Management System for Hybrid Vehicles（5000/20）

Wang Yangqing Duan Huiyun

Abstract：Nowadays， people are more and more concerned about the vehicles they drive. At present， most of China's cars still use oil， natural gas and other fuels， and the exhaust emissions have a great negative impact on the environment and climate， while fuel consumption is also increasing. Hybrids are a highlight in the automotive sector. It has the advantages of low emissions and low energy consumption， and overcomes the shortcomings of short service life of pure electric vehicles. Compared with conventional cars， the most significant feature of hybrid vehicles is the addition of energy batteries to the powertrain. On the basis of low pollution and high economy， the engine and battery are coordinated. Given the role of energy batteries in the automotive field， it is the responsibility of the battery management system to manage them effectively.

Key words：hybrid vehicle， battery management system， state of charge

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ?。但是，環(huán)境問題也隨之而來，如環(huán)境污染、能源危機(jī)等。如何有效地節(jié)約能源，降低污染的排放量，已成為當(dāng)今世界各國面臨的一個(gè)重要問題。混合動(dòng)力電動(dòng)車的研發(fā)和推廣具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 混合動(dòng)力汽車研究近況

混合動(dòng)力汽車是近幾年來汽車工業(yè)中的一個(gè)熱門話題。這是因?yàn)楝F(xiàn)代社會的能源危機(jī)，使得人們意識到了對新型能源的需求。在主要工業(yè)國家中，能源消費(fèi)所占的比重高達(dá)24%，而如今，在各個(gè)行業(yè)中，電池正逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)殡姵責(zé)o污染，應(yīng)用在汽車上可以實(shí)現(xiàn)零排放，有助于解決汽車造成的環(huán)境污染。汽車的發(fā)展，對能源和環(huán)境都有很大程度上的影響。隨著混合動(dòng)力電動(dòng)技術(shù)不斷成熟，電池也在迅速推廣[1]?；旌蟿?dòng)力汽車電池技術(shù)的發(fā)展，使其在能量管理方面有了很大進(jìn)步。我國對于電池研究起步較晚，但經(jīng)過幾十年來不斷地努力與創(chuàng)新。目前國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出一系列不同類型、性能優(yōu)異的新型鋰離子蓄電體和燃料油存儲器等產(chǎn)品；國外也正在積極開發(fā)新材料、新工藝及應(yīng)用領(lǐng)域中取得突破性進(jìn)展；一些發(fā)達(dá)國家正致力于建立高效可靠且成本較低的動(dòng)力汽車儲能系統(tǒng)，并在電動(dòng)汽車電池技術(shù)方面進(jìn)行研究工作[2]。

2 混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)

按照《電動(dòng)技術(shù)委員會》第69條建議，混合動(dòng)力汽車（HEV）是一種由兩個(gè)或更多個(gè)不同的能源供給混合動(dòng)力的車輛，在這些能源中，至少有一個(gè)能源供應(yīng)?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的專家們已經(jīng)基本形成了一致意見：混合動(dòng)力汽車不僅僅是電動(dòng)汽車的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，更是汽車行業(yè)將要面對的一次變革。眾所周知，燃料電池是電動(dòng)車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的最大希望，然而由于其不可逆性，僅以燃料電池為動(dòng)力源，無論在剎車、減速過程中，都不可能完全恢復(fù)其動(dòng)力，而現(xiàn)在新能源車的電池問題更是一個(gè)亟待解決的問題。所以，燃料電池必須和蓄電池一起構(gòu)成一個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)。因此，混合動(dòng)力電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢在必行[3]。要使混合動(dòng)力汽車得到進(jìn)一步的發(fā)展，并將其產(chǎn)業(yè)化，必須解決下列幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 電池技術(shù)

混合動(dòng)力汽車的電池與電動(dòng)汽車的工作狀態(tài)是不一樣的，其充電速度和效率都是很高的。所以，對混合動(dòng)力電動(dòng)車的電池要求既有高的能量密度，又有較高的功率密度。發(fā)展高性能、低成本、長壽命的電池一直是混合動(dòng)力汽車發(fā)展的重點(diǎn)。

2.2 電池管理系統(tǒng)

電池的放電深度、充放電電流的大小、車輛的行駛狀況等都會對電池的壽命、充放電效率、內(nèi)阻等產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)，國內(nèi)對蓄電池的恒流放電性能和電流放電性能的研究也僅僅限于對其進(jìn)行分析，因此，建立一個(gè)適合電動(dòng)車實(shí)際使用情況的能源管理模型是十分必要的。為了構(gòu)建一個(gè)適合于實(shí)際工作環(huán)境的蓄電池能量管理系統(tǒng)，為負(fù)載平衡控制器提供可靠的控制參數(shù)，是當(dāng)前混合動(dòng)力電動(dòng)車研發(fā)中亟待解決的問題[4]。

3 電池管理系統(tǒng)概述

3.1 什么是電池管理系統(tǒng)

對于混合動(dòng)力汽車的電池組管理系統(tǒng)，它是通過對發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池以及電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行優(yōu)化組合的方式來完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池控制系統(tǒng)之間合理地結(jié)合。在設(shè)計(jì)過程中首先要考慮到的是如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)最佳的工作模式。其次就是如何選擇合適類型的電機(jī)。最后還要考慮怎樣能夠有效提高效率并且降低成本問題，從而使其可以更加環(huán)保節(jié)能，還能為環(huán)境做出貢獻(xiàn)達(dá)到雙贏效果。在設(shè)計(jì)過程中要考慮到電池組的工作模式和電機(jī)功率大小以及電機(jī)類型等因素綜合來確定其是否能夠正常運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)主要有三大部分：（1）傳感器的采集。傳感器在汽車上進(jìn)行工作，其功能是把汽車行駛中所需要的各種信息轉(zhuǎn)化為電信號，然后再傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU從而使電機(jī)能夠根據(jù)指令完成相應(yīng)動(dòng)作。（2）充放電管理及維護(hù)。充放電管理主要是根據(jù)電池的工作狀態(tài)來對其充電過程進(jìn)行控制，從而達(dá)到延長電池壽命、減少能源消耗等目的。（3）安全監(jiān)控及維護(hù)。在汽車上使用電池時(shí)需要檢查蓄電量是否充足以及溫度狀況和電機(jī)轉(zhuǎn)速情況，以免發(fā)生意外事故或造成不必要損失；負(fù)責(zé)判斷當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)電源電壓能否正常運(yùn)行并記錄數(shù)據(jù)以便于故障診斷與維修，同時(shí)也能對電池進(jìn)行過充電保護(hù)，防止損壞電池引起火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)事件的發(fā)生。

3.2 電池管理系統(tǒng)工作環(huán)境

電池管理系統(tǒng)的工作環(huán)境主要包括：①溫度和濕度。在正常情況下，隨著儲能裝置充放電次數(shù)逐漸增加，系統(tǒng)中所儲存的電量會慢慢降低。因此當(dāng)系統(tǒng)處于高溫或低溫條件時(shí)或者充電電流過大時(shí)會對蓄電設(shè)備造成損壞；②酸堿腐蝕性氣體及電解液濃度變化等因素影響著該部件壽命以及性能指標(biāo)是否合格、電池容量大小與溫度和濕度密切相關(guān)。當(dāng)電池容量過大時(shí)，會使系統(tǒng)中的電極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致充電終止，嚴(yán)重時(shí)會造成蓄電量不足。因此在充放電過程中會產(chǎn)生大量酸性氣體和電解液。如果充放電過程中，充電電流過大，會導(dǎo)致電池容量下降，甚至失效[5]。

4 動(dòng)力電池系統(tǒng)的建模與分析

4.1 動(dòng)力電池模型

在實(shí)際的車輛行駛過程中，混合動(dòng)力汽車的能源消耗是通過動(dòng)力電池來實(shí)現(xiàn)，但是由于其自身特性以及能量密度等限制因素（如熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和溫度）使得汽車上存在著一些問題。因此需要對現(xiàn)有鋰離子電池模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，從而提高性能以達(dá)到節(jié)約能源，降低污染排放的目的，在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)力電池是一種高效且成熟的儲能裝置，其工作原理與鉛蓄混合動(dòng)力電動(dòng)車輛相比更為簡單，但是由于它具有高能量密度和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)鋰離子電池具有循環(huán)壽命長、能量密度高和低噪聲等缺點(diǎn)，所以其在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。動(dòng)力電池的充放電過程是循環(huán)的，在整個(gè)充電過程中，當(dāng)汽車停車、啟動(dòng)的時(shí)候鋰離子電池端電壓較低導(dǎo)致其容量衰減慢；車輛停止后由于能量密度高和使用時(shí)間長會造成其壽命縮短。所以為了提高它工作性能就需要改進(jìn)傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)[6]。

4.2 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模步驟

建立電池管理系統(tǒng)的物理模型。在對系統(tǒng)進(jìn)行分析后，將復(fù)雜問題抽象為簡單化，通過建模得到各子系統(tǒng)之間相對關(guān)系。建立一個(gè)簡化、直觀且易于理解的混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。該過程是：首先通過MATLAB軟件繪制出理想狀態(tài)下汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)；然后再根據(jù)所設(shè)條件確定電機(jī)功率和傳動(dòng)比并計(jì)算動(dòng)力總成重量損失值及燃油消耗率等參數(shù)；最后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真運(yùn)行達(dá)到理論分析效果，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。在建模過程中需要對每個(gè)子系統(tǒng)都進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過模擬真實(shí)環(huán)境條件下系統(tǒng)性能優(yōu)化效果。由于電池管理系統(tǒng)是一個(gè)非線性工程模型分析方法。所以要建立合理、準(zhǔn)確和高效混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型必須滿足以下要求：首先在構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到各部件之間存在著相互作用及相互制約關(guān)系；其次電機(jī)功率與傳動(dòng)比的選取也需符合實(shí)際情況；最后對電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算并得出最佳工作狀態(tài)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)的仿真計(jì)算

電池系統(tǒng)的仿真計(jì)算是通過對整個(gè)裝置系統(tǒng)中各部件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用過程里，由于各種原因造成了電池單體容量和輸出功率波動(dòng)較大。因此為了減少這種影響因素可能需要對每個(gè)零部件都做更細(xì)致地分析與研究，以保證整個(gè)設(shè)計(jì)更加合理可行；也可以利用計(jì)算機(jī)軟件來模擬電動(dòng)機(jī)、控制器等部件的運(yùn)行狀況，并通過仿真計(jì)算得到結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而獲得性能最優(yōu)參數(shù)，為電機(jī)和發(fā)電機(jī)優(yōu)化提供一定依據(jù)。在實(shí)際使用過程中，由于各種原因?qū)е码姵貑误w容量和輸出功率波動(dòng)較大，從而使整個(gè)系統(tǒng)的性能受到影響。因此，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮各部件之間的匹配問題。在對電池系統(tǒng)的仿真計(jì)算中，為了簡化分析過程，通常是把整個(gè)裝置分為若干個(gè)單元模塊進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)部件都根據(jù)各自特點(diǎn)來選擇相應(yīng)參數(shù)，如蓄電池、充放電控制器等。在實(shí)際應(yīng)用中則可以通過軟件模擬其電壓、電流和功率特性，從而得到最佳輸出功率曲線并與實(shí)測數(shù)據(jù)比較而獲得性能最優(yōu)結(jié)果（即能量利用率）最大化或效率最高的優(yōu)化效果，這也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要部分之一，對整個(gè)裝置的仿真計(jì)算有著非常重大意義。在對電池組的仿真計(jì)算中，由于每個(gè)單體都根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)匹配，因此需要考慮到不同模型之間的差異。例如：蓄電池組與發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)其輸出功率較低；電機(jī)和發(fā)電機(jī)串聯(lián)后輸出電壓最高。

5 混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的控制策略

5.1 混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)控制器

控制器主要是通過控制電池組的充電速率和溫度，從而達(dá)到延長其恒流輸出功率，提高動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命的目的。目前常用的是串聯(lián)式鋰離子能量管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中使用了兩個(gè)繼電器來完成電路功能。當(dāng)充電接口開啟后與控制器相連，控制器控制電池組充電過程中的電壓，當(dāng)汽車行駛到終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)切斷電源并使其恢復(fù)恒流狀態(tài)。

5.2 混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)控制策略與管理

在電池管理的過程中，控制策略是非常重要且必須要考慮到的。對于混合動(dòng)力汽車來說，電池管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要包括：對蓄電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、充電模式和充放電電流等。

（1）對蓄電量監(jiān)測與控制

當(dāng)儲能裝置工作時(shí)可以根據(jù)不同車型所需電壓來設(shè)定不同值。例如：當(dāng)行駛里程達(dá)到一定數(shù)值后需要停止供電或通過控制電路調(diào)節(jié)至恒流源的方式使其維持在一個(gè)恒定值，當(dāng)蓄電池電壓低于恒壓源的充電電流時(shí)，控制電路就會輸出一個(gè)低電平，此時(shí)汽車可以在穩(wěn)定狀態(tài)下使用。在對蓄電池進(jìn)行充放電時(shí)，由于充電電流的波動(dòng)，系統(tǒng)需要監(jiān)測其電壓，并根據(jù)不同用戶的要求來控制功率輸出。為了保證汽車能有一個(gè)良好性能和安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下所需充、放空容量以及溫度等參數(shù)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。因此要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能就需要對蓄電池組內(nèi)電壓進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié);在充電完成后及時(shí)調(diào)整充放電速度以延長蓄電池循環(huán)壽命周期;同時(shí)還必須考慮到不同用戶的特殊需求。

（2）控制充電電流的大小

當(dāng)電池充滿電時(shí)，儲能裝置需要切換到恒壓模式或者是快速充放電狀態(tài)，這樣就可以通過調(diào)節(jié)電壓來實(shí)現(xiàn)對蓄電池進(jìn)行不同程度地保護(hù)，也能夠讓汽車在行駛過程中保持恒定不變?；旌蟿?dòng)力汽車的電池組一般采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式，在充電前，要將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分段，這樣就可以把各單體充放電路和控制電路連接起來，對蓄電池電壓、電流大小及容量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)節(jié)。當(dāng)儲能裝置內(nèi)出現(xiàn)空閑狀態(tài)時(shí)，及時(shí)停止給其解壓閥處注入一定量電能;而當(dāng)充電終止后，再進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)過程，來控制電機(jī)的輸出功率，使混合動(dòng)力汽車達(dá)到最佳運(yùn)行速度。

6 結(jié)語

綜上所述，我們可以了解到，混合動(dòng)力汽車的電池技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有了很大程度的進(jìn)步。但是我國目前還處于研究和試驗(yàn)階段。因此需要大量投入資金來解決這一問題，使其在國內(nèi)市場能夠得到長遠(yuǎn)發(fā)展；其次要從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備以及技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。最后是對充電設(shè)施進(jìn)行升級改造以適應(yīng)更多車型性能需求等措施來提高混合動(dòng)力電動(dòng)汽車產(chǎn)品質(zhì)量并促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，從而帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。隨著市場的發(fā)展，混合動(dòng)力汽車越來越受到人們關(guān)注，而在我國也開始重視起來。因此研究并完善這一新興產(chǎn)業(yè)將具有十分重要的意義。

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：基于插電混動(dòng)系統(tǒng)電池能量管理與分配技術(shù)的研究，項(xiàng)目編號：GJJ204007。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜久春，牛利勇，張欣.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的研究[J].高技術(shù)通訊，2004，14（6）：75-77.

[2]樊成，徐強(qiáng)，王磊，等.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)研究[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（4）：47.

[3]伍星，王杰.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2008，37（5）：148-150.

[4]胡明輝，秦大同，舒紅，等.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)SOC的評價(jià)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，26（4）：20-23.

[5]張茜.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的均衡策略分析[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（4）：168.

[6]張忠義，羌嘉曦，楊林，等.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2006，35（1）：61-64.