純電動汽車電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

吳立衛(wèi)

摘 要：隨著新能源汽車的投入使用，對于電動汽車的研究就不斷的深入。在現(xiàn)階段，新能源汽車中電池是最為核心的技術(shù)，尤其是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。在本文中，詳細介紹了純電動汽車電池管理系統(tǒng)情況，通過電池管理系統(tǒng)中存在的問題進行分析，從電池性能的角度出發(fā)，深入探究鋰電池的使用原理，在利用SOC估算的數(shù)學模型，對電池組均衡性提出了解決方式，為保證電動汽車電池管理系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 荷電狀態(tài) 均衡控制 信息采集

1 引言

隨著社會對環(huán)境保護的意識加強，以及我國經(jīng)濟發(fā)展處在新舊動能轉(zhuǎn)化階段，綠色環(huán)保資源的使用得到了很好的發(fā)展。在傳統(tǒng)的制造行業(yè)中，機械生產(chǎn)帶來產(chǎn)能以及耗能，而綠色資源的產(chǎn)生既能滿足發(fā)展的需要，也是對于環(huán)境保護起到了積極的作用。在汽車制造領(lǐng)域中，新能源汽車的發(fā)展迅猛，以純電動車為代表的汽車生產(chǎn)力得到了很大的提高。在分析和研究新能源汽車發(fā)展的過程中，電池是新能源汽車制造的核心因素，尤其在汽車的管理控制系統(tǒng)中，電池也發(fā)揮了重要的作用。汽車電池系統(tǒng)在運行中主要是對電量信息使用采集和過程電能保護的效能，在功能中發(fā)揮電池的安全性和保障性，利用電力線路中的電壓和電流控制，實現(xiàn)電池的溫度把控，根據(jù)實施的運行狀態(tài)，及時對電池系統(tǒng)管理起到調(diào)控的作用。因此，對于電動汽車的發(fā)展研究必然要對電池管理系統(tǒng)進行深入研究。

2 純電動汽車電池管理系統(tǒng)情況分析

結(jié)合電動汽車在使用中，電池發(fā)揮動力配置的功能特點，并且結(jié)合電池管理系統(tǒng)在電動汽車整體系統(tǒng)中的特性，主要將電池管理系統(tǒng)分為以下幾種情況。一是電池管理系統(tǒng)在使用中對各項使用數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集。在數(shù)據(jù)中，根據(jù)不同狀態(tài)下的電池信息，分析電池組使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時結(jié)合電動車的啟動情況，掌握汽車的基本指標。二是在電池管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)對于電池的充放電進行有效的管理，在完成充電管理中，及時調(diào)節(jié)電壓和電流狀況，保證線路負載安全，利用切換放電模式，根據(jù)汽車動力方式，調(diào)節(jié)電流幅度?？紤]到電池控制系統(tǒng)的管理功能，在過程中單體電池還需要進行SOC計算，將荷電的基本情況進行計算，是否滿足電池組的使用需求，將評估結(jié)果作為性能使用和可靠性的判斷指標。三是在管理系統(tǒng)中還能起到故障檢測作用。當汽車出現(xiàn)故障或是不良情況，電池使用就會出現(xiàn)異常情況，檢測系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢分析出故障的基本情況，對于電池線路進行監(jiān)測，其次對于整體的線路路徑進行查詢。根據(jù)檢查的結(jié)果形成保護動作元，及時對故障進行保護性處理。通常情況下，在系統(tǒng)短路或是線路出現(xiàn)反接的情況下，監(jiān)測系統(tǒng)及時將故障情況進行報送。

電池管理系統(tǒng)還具有系統(tǒng)的處理平衡能力，在純電動汽車的開發(fā)中，電池主要采用鋰電池作為動力保障，根據(jù)多組和單體電池的性能區(qū)分，會在使用中對單組電池造成消耗，嚴重時造成電池供電不均衡的情況。電池系統(tǒng)對于這種現(xiàn)象進行平和，對于電池電量的使用達到均衡的狀態(tài)，還能起到節(jié)約電能的效果。但是，在研究中發(fā)現(xiàn)，電池管理系統(tǒng)作為電池組的平衡功能存在一定的技術(shù)障礙，現(xiàn)階段是研究的重點，尤其是在拓撲環(huán)境中根據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，采取最為合適的控制策略以達到電池管理的實際用途。在人機交互中，電池管理系統(tǒng)根據(jù)電量的變化，及時在狀態(tài)顯示中將即時情況進行展示，對于操作者掌握電池系統(tǒng)運行情況起到幫助作用。在電動汽車使用中發(fā)現(xiàn)，電池系統(tǒng)受到溫度的影響較為明顯，在極端或是惡劣環(huán)境中，電池消耗比正常情況有所提高。電池管理系統(tǒng)在過程中也能對溫度進行一定的調(diào)節(jié)，盡可能保證電池系統(tǒng)在適溫下運行。

3 純電動汽車電池管理關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 鋰電池參數(shù)分析

在上文提到的SOC模型中，根據(jù)估算的情況變化，對電池內(nèi)部進行電化學分析，再動態(tài)的對系統(tǒng)特性進行表達。在數(shù)學模型中，電路中模擬電池內(nèi)部的反應情況，根據(jù)基爾霍夫定律，在狀態(tài)方程表達中，根據(jù)充放電的特性在內(nèi)外應因素的作用下，根據(jù)鋰電池的非線性原則，在模型中以類型進行區(qū)分。其中存在Rint模型利用電池的歐姆內(nèi)在，利用電壓U和電阻R的變化情況描述電池基本狀態(tài)。

Rint模型為等效電路，在復雜的電路圖中演化而來，根據(jù)電量的關(guān)系模擬電池的動態(tài)。在實際的使用中，由于等效電路各個參數(shù)指標相對變化，能夠很好的在交互頁面中顯示電池的變化情況。

3.2 電路基本情況

在電池組靜止一段時間后，電壓的變化會對充放電的結(jié)果產(chǎn)生一定的延遲性，根據(jù)電壓的變化情況，將SOC與電壓值相互轉(zhuǎn)化，根據(jù)放電動作完成后，電池靜置的時間判定電壓的變化情況。在電壓值達到穩(wěn)定后，根據(jù)實驗結(jié)果曲線得到內(nèi)阻情況

公式中，Rd為放電過程中電阻值，Rc為充電過程中的電阻值，I1為放電過程中電流，I2為充電過程中電流，在電池組的充電中，電阻值發(fā)生改變，根據(jù)電阻的變化曲線能夠掌握歐姆電阻R0情況。

3.3 鋰電池SOC估算

精準的對鋰電池的性能進行估算能夠?qū)﹄姵亟M的充放電情況進行控制，為滿足純電動車的電池管理要求，利用積分法和開路電壓的方式對電池荷電狀況進行計算，通過不同中的策略組合，取得電池使用的最佳情景。

3.3.1 開路電壓法

在函數(shù)關(guān)系中明確了電池電壓和荷電之間關(guān)系，在電池使用后，根據(jù)充分放電的機理，將電池進行短暫的靜置，得到的電壓可以認為是默認電壓，電壓的變化情況根據(jù)數(shù)據(jù)的變化及時調(diào)整。在開路狀態(tài)下，電壓形成電動勢。在多次的計算實驗中，SOC曲線根據(jù)充放電情況進行變動，尤其是在充放電的初期和結(jié)束階段，實驗中也證明，在不同的時間段，電池的消耗程度影響和電壓的變化有直接關(guān)系，排除新舊電池在實驗中的不同，實驗結(jié)果也是高度的一致。在開路電壓的測量中，還會受到外界的干擾，溫度變化對于電池的特性影響較為明顯，開路電壓在極端溫度下對SOC估算的精準度有所偏差，利用電池靜置的方式才能短期消除電壓和電池容量對系統(tǒng)參數(shù)的影響。

3.3.2 積分法估算

積分估算分是計算荷電的另外一種途徑，根據(jù)電流變化的積分計算，得到區(qū)間內(nèi)SOC的變化情況，在起始和終止階段的電流瞬間值的采集，得到荷電基本狀態(tài)，并結(jié)合電池組額定的容量，檢測出電流的變化。在實際的操作中，積分法對于前后的測量值會出現(xiàn)誤差，根據(jù)電流的變化趨勢對積分法的估算值進行調(diào)整。

4 純電動汽車電池管理系統(tǒng)均衡分析

4.1 并聯(lián)電阻式均衡

并聯(lián)電阻法是最早使用的一種能量耗散型均衡方法，它所采用的均衡策略是在每節(jié)單體電池的兩端并聯(lián)一個能耗電阻，當某節(jié)單體電池的能量過高時通過接入能耗電阻消耗其能量，使其恢復至電池組平均水平，防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生。電池管理系統(tǒng)實時采集每節(jié)單體電池的各種信息。當發(fā)現(xiàn)某一節(jié)單體電池的電量明顯高于其它單體電池時，控制系統(tǒng)將接通與其對應的開關(guān)使能耗電阻接入電路，將其多余的電量消耗以保證維持電池組系統(tǒng)平衡。

4.2 開關(guān)電容式均衡

開關(guān)電容式均衡由于理論上在應用中并沒有能量的損耗，這種方法屬于一種非耗散型均衡，它是利用電容作為能量搬移的中間載體，實現(xiàn)了不同單體電池之間的能量的轉(zhuǎn)移。每個電池單體與兩個開關(guān)電容相連，每個電容通過導線與相鄰的兩節(jié)單體電池形成回路，實現(xiàn)兩節(jié)電池之間的能量轉(zhuǎn)移。開關(guān)電容均衡是通過二極管控制電容的導通性來實現(xiàn)對電池的均衡。在控制信號間隔期間兩組開關(guān)都處于不導通狀態(tài)，這樣的設計可大大降低由瞬息大電流的流動而造成短路現(xiàn)象發(fā)生的可能性。導通控制信號輪流導通左連接和右連接來控制能量在相鄰電池之間流動，減弱相鄰子組的不均衡，從而使各子組電壓達到平衡。

5 結(jié)語

本文通過對純電動車性能參數(shù)進行對比，對鋰電池的工作原理進行了介紹并進行了電池管理系統(tǒng)的功能設計和結(jié)構(gòu)設計。利用SOC估算的方式，在數(shù)學計算的模式下提出了電池組的結(jié)構(gòu)分析方案，主要是通過拓撲結(jié)構(gòu)和均衡策略的分析，保證電池組在極端和溫度變化環(huán)境中的安全穩(wěn)定。同時對電池管理系統(tǒng)硬件部分進行了設計與分析。由中央控制器對各功能模塊進行控制和管理，各功能模塊之間獨立分工又相互合作，保證了系統(tǒng)的正常運行。在未來的研究中，純電動汽車電池系統(tǒng)中建立等效電路模型和系統(tǒng)參數(shù)辨識增加了難度，如何建立一種更高精度的電池模型，并設計一種簡單且高效的動態(tài)參數(shù)辨識方法仍然需要進一步的研究和實驗。

參考文獻：

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