電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)(下)

◆文/廣東　郭棟

郭棟

(本刊編委會(huì)委員、“新能源汽車”欄目主持專家)

深圳市派司德科技有限公司董事長(zhǎng)；廣東省電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)專家；博世汽車服務(wù)公司新能源汽車教學(xué)項(xiàng)目顧問；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院客座教授。參與國(guó)內(nèi)幾款主要電動(dòng)汽車控制策略的設(shè)計(jì)；參加了深圳電動(dòng)汽車維修專項(xiàng)技能認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)；參與了電動(dòng)汽車修理廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、營(yíng)運(yùn)電動(dòng)汽車維修和保養(yǎng)技術(shù)規(guī)范、營(yíng)運(yùn)電動(dòng)汽車技術(shù)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。為電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)咨詢，同時(shí)還主持了電動(dòng)汽車車載診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

(接上期)

五.電池的均衡管理

為什么需要電池均衡呢？首先一個(gè)串聯(lián)的電池包，不管你怎么去篩選，總是會(huì)出現(xiàn)不均衡(電壓差別、容量差別、內(nèi)阻差別、充電和放電速度差別)現(xiàn)象。這樣在實(shí)際使用過程中，每個(gè)單體電池的輸出電量是不一樣的。這里需要增加一個(gè)衡量電路，以提高電池包儲(chǔ)電空間的利用率。在電池充放電時(shí)，出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象如圖6所示。

電池不僅有過度放電和過度充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，最大的輸入和輸出的功率也存在限制。單個(gè)單體電池的限制，會(huì)影響到整個(gè)電池，但單個(gè)單體電池超限，并不代表整個(gè)電池組不安全，而是那個(gè)超限的單體電池會(huì)損壞。當(dāng)然，串聯(lián)在一起的電池包也遵循馬太效應(yīng)，由于其負(fù)荷是一致的，越弱(自放電大、容量低、發(fā)熱大)的那個(gè)電池永遠(yuǎn)承受著越大的壓力，那么在一個(gè)電池包內(nèi)，這個(gè)電池也就老化的越快。實(shí)驗(yàn)證明，電池的最大放電功率和其工作溫度及SOC狀態(tài)是呈函數(shù)關(guān)系的，如圖7所示。

影響電池不均衡的因素有哪些呢？如圖8所示，這里的十三個(gè)影響因素被分為了五組。

1.電池包內(nèi)各個(gè)單體電池之間的個(gè)體差異性(從出廠就具有的)。

①單體電池容量差異；

②單體電池內(nèi)阻差異；

③單體電池自放電差異。

以上這三個(gè)因素，主要是由于單體在制造過程中的差異導(dǎo)致的。越好的制造商，能夠制造出差異越小、均衡越好的電池。

④不同的工作電流導(dǎo)致的不均衡的概率分布，如圖9所示。不同的電壓、電流采集方案會(huì)不同程度加劇電池的不均衡，如圖10所示。

⑤休眠時(shí)候電流差異： 這個(gè)時(shí)候的電路差異，主要是集中在單體電池的輸入端和均衡通路里，如圖11所示。

2.電池包內(nèi)隨著時(shí)間變化(電池包的老化)會(huì)出現(xiàn)以下情況。

①單體電池容量差異；

②單體電池內(nèi)阻差異；

③單體電池自放電差異。

以上這3個(gè)差異，都會(huì)導(dǎo)致電池組整體的儲(chǔ)電能力還和工作能力嚴(yán)重下降。

3.客戶在使用電動(dòng)車時(shí)，應(yīng)注意以下兩個(gè)方面。

①充電時(shí)間；

②放電時(shí)間。

由于均衡的時(shí)間一般相對(duì)較長(zhǎng)，放在什么時(shí)候做均衡比較好呢？一般對(duì)于插電式的NEV(電動(dòng)車、新能源車型)來說，有3種狀態(tài)：Park(停車狀態(tài))、Charging(充電狀態(tài))和Discharge(放電狀態(tài))，這個(gè)時(shí)間決定了均衡的目標(biāo)時(shí)間。

4.外部環(huán)境影響，包括以下方面。

①不同溫度下的自放電；

②不同SOC(剩余電量)下的自放電。

5.系統(tǒng)間的相互影響。

BMS電池管理系統(tǒng)的技術(shù)路線和工作狀況會(huì)造成新的不均衡，比如電池管理系統(tǒng)的取電方法，電池采集線的布局形式，這些因素和BMS的工作狀態(tài)有關(guān)系。

采用什么樣的電池均衡方法，取決于硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟件的均衡算法兩部分。

不同均衡方法的比較，如圖12所示。均衡系統(tǒng)的目的是在比較良好的電池質(zhì)量條件下，保證電池系統(tǒng)在苛刻的條件下長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

六.電池組熱管理系統(tǒng)

電池組熱管理系統(tǒng)的主要功能有：①電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；②電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；③低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；④有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；⑤保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。

電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：①確定電池最優(yōu)工作溫度范圍；②電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)；③傳熱介質(zhì)選擇；④熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)；⑤風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇。

通過公式Q=C×M×ΔT=W×t ，即得熱量=比熱容×總重量×溫升=功率×溫升時(shí)間，可估算PTC的功率，這只是簡(jiǎn)單的公式，而真正難的是如何將熱量快速均勻地傳到每個(gè)模塊每片電芯上，才是關(guān)鍵問題。

蓄電池在工作過程中，根據(jù)蓄電池最佳工作環(huán)境溫度要求，EME會(huì)發(fā)出降溫指令或升溫指令，熱管理從性質(zhì)上可分為降溫過程和升溫過程。

降溫?zé)峁芾淼哪康氖欠乐闺姵亟M的溫度超過電池工作的最高溫度，其要求還包括：控制電池組的溫升，均衡電池箱內(nèi)各點(diǎn)的溫度，保持各單體電池的溫度一致，防止因溫度不同而造成電池組間的電池性能差異。

升溫?zé)峁芾?，?duì)于鋰電池而言，低溫下電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降。因此，低溫主要是對(duì)鋰電池的充電有負(fù)面影響，對(duì)電池的放電則影響不大。在低溫時(shí)，由于電池的活性差，電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降，這時(shí)大電流充電很可能出現(xiàn)電池?zé)崾Э厣踔涟踩鹿?。因此，?dāng)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)出控制信息，通知充電機(jī)進(jìn)行小電流充電。另外，由于低溫（低于-10 ℃）環(huán)境下，電池的內(nèi)阻會(huì)增加。在充電過程中，電池就會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，使得電池的溫度逐漸升高。這樣在進(jìn)行一定時(shí)間的小電流充電后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池的溫度正常后，即可通知充電機(jī)恢復(fù)正常模式充電。

對(duì)于電池?zé)峁芾眍愋偷倪x擇可以按傳熱介質(zhì)進(jìn)行分類，一般分為：空冷，液冷以及相變材料（如石蠟）冷卻三種方式。

目前空冷散熱通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種，如圖13所示，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出，空氣被電池依次加熱，越往右，空氣的溫度越高，冷卻效果越差。電池箱內(nèi)電池溫度從左到右依次升高，導(dǎo)致電池模塊溫度分布的不一致性，影響電池的冷卻效果。

如圖14所示，并行通風(fēng)方式使得空氣流在電池模塊間更均勻地分布。確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場(chǎng)分布的一致性。

可以看出，空冷方式的主要優(yōu)點(diǎn)有：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量相對(duì)較??；②沒有發(fā)生液體泄漏的可能；③有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)；④成本較低。缺點(diǎn)在于空氣與電池表面之間換熱系數(shù)低，冷卻和加熱速度慢。

如果設(shè)計(jì)不好同樣會(huì)導(dǎo)致電芯的溫度差加大,典型空氣加熱系統(tǒng)的數(shù)模圖，如圖15所示。

用熱像儀拍出來的海馬電動(dòng)轎車在放電過程中的溫度分布，如圖16所示，最高溫度與最大溫度的差別已經(jīng)大于15℃，這種情況會(huì)大大降低電池的能量利用率。

液冷系統(tǒng)是利用液體相對(duì)于空氣有著較高換熱系數(shù)，可將電池產(chǎn)生的熱量快速帶走，達(dá)到有效降低電池溫度的目的。

液體冷卻主要分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。非直接接觸式液冷必須將套筒等換熱設(shè)施與電池組進(jìn)行整合設(shè)計(jì)才能達(dá)到冷卻的效果，這在一定程度上降低了熱交換效率，增加了熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的復(fù)雜性。

對(duì)于直接接觸式的液冷系統(tǒng)，通常采用不導(dǎo)電且換熱系數(shù)高的換熱介質(zhì)，常用的有礦物油、乙二醇等。對(duì)于非直接接觸式的液冷系統(tǒng)，可以采用水，防凍液等作為換熱介質(zhì)。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型傳熱介質(zhì)納米流體不僅在科研，而且在應(yīng)用上得到很大關(guān)注，納米流體即以一定的方式和比例將納米級(jí)金屬或非金屬氧化物粒子添加到流體中而形成的。研究表明，在液體中添加納米粒子，可以顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。因此將納米流體應(yīng)用于電池?zé)峁芾砑夹g(shù)將會(huì)是將一個(gè)新的研究發(fā)展方向，值得引起廣泛的關(guān)注。

7.電池預(yù)充電管理

在電動(dòng)汽車電機(jī)控制器內(nèi)或者逆變器內(nèi)有三個(gè)大的電容，每次電池包的主繼電器閉合時(shí)，電池會(huì)給電容充電，在電池母線上會(huì)有很大的反向電流，我們一般稱之為浪涌，這個(gè)浪涌電流高達(dá)1 000A，這個(gè)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繼電器最大承受電流，很多電器設(shè)計(jì)以250A為最大承受電流，實(shí)際上在駕駛員關(guān)閉汽車鑰匙時(shí)，電容也會(huì)放電，繼電器也不是馬上打開，需要做一個(gè)延時(shí)，等電容兩極的電壓降到36V時(shí)才關(guān)閉主繼電器，所以一般要求學(xué)員在5min內(nèi)不能接觸高壓回路。如圖17所示，預(yù)充電電路有負(fù)母線繼電器K3、正母線繼電器K2、預(yù)充電繼電器K1、預(yù)充電限流電阻和控制繼電器開閉的電池管理系統(tǒng)組成。預(yù)充電電路一旦出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致 燒壞負(fù)載 、燒壞保險(xiǎn)、使單電芯過充、燒毀繼電器或直流接觸器等。

當(dāng)電池管理系統(tǒng)接收到KEY-ON信號(hào)時(shí)，先閉合負(fù)母線繼電器K3，再接到star信號(hào)時(shí)，先閉合預(yù)充電繼電器K1，500ms后閉合正母線繼電器K2，然后再打開預(yù)充電繼電器K1，這樣做的目的起到電流緩沖作用。

在有些車型上，整車控制器會(huì)快速比較電池管理系統(tǒng)與電機(jī)控制器發(fā)來的總電壓，當(dāng)兩個(gè)電壓差值小于5%，向電池管理系統(tǒng)發(fā)出閉合正母線繼電器的指令。(全文完)