蓄電池:車載鋰離子電池管理系統(tǒng)與充電技術(shù)
2017-6-23 11:19:02??????點(diǎn)擊：
電動(dòng)汽車采用電能替代化石燃料作為動(dòng)力，是未來交通的唯一長遠(yuǎn)解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的心臟，只有對其進(jìn)行充分的了解，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的順利推廣。本文從國內(nèi)外電動(dòng)汽車主要車載動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。
鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機(jī)充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機(jī)充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。
1 車載鋰離子電池管理系統(tǒng)
作為電動(dòng)汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中可以實(shí)現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預(yù)測電池的功率強(qiáng)度，便于對整個(gè)電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。
在純電動(dòng)汽車中，BMS具有預(yù)測電池剩余電量、預(yù)測行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
如圖1所示，BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行測量，然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進(jìn)行控制，確保電池組處于最優(yōu)溫度范圍內(nèi)。
安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警并及時(shí)采取斷路等緊急保護(hù)措施。狀態(tài)估計(jì)模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。
目前主要是SOC估算，SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進(jìn)行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實(shí)現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信。
BMS的核心功能是SOC估計(jì)、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機(jī)充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，設(shè)置電池的最佳充放電曲線，例如設(shè)置充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負(fù)載在上電瞬間相當(dāng)于短路，因此需要進(jìn)行預(yù)充電機(jī)充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。
2 電池管理系統(tǒng)的核心功能
2.1 SOC估算
SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中最重要的參數(shù)之一。SOC估計(jì)是判斷電池過充過放的基礎(chǔ)，精確的估計(jì)可以最大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運(yùn)行。
電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準(zhǔn)確完成SOC估算有很大困難。
現(xiàn)有的SOC估算方法如下：
(1)安時(shí)計(jì)量法。安時(shí)計(jì)量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化，因而有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時(shí)間的推移，SOC累計(jì)誤差將不斷加大，影響最終結(jié)果。該方法適合計(jì)量電動(dòng)汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計(jì)量方法。
(2)開路電壓法。鋰離子電池開路電壓與SOC有近似線性關(guān)系，可用來判斷電池內(nèi)部的狀態(tài)。但因測量要求較為嚴(yán)格，需要電池靜置時(shí)間至少在1 h以上，不適合單獨(dú)使用于電動(dòng)汽車內(nèi)電池的在線實(shí)時(shí)檢測。一般情況下，因開路電壓法在充電機(jī)充電初、末期估算值準(zhǔn)確率較高，經(jīng)常將開路電壓法與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。
(3)卡爾曼濾波法。卡爾曼濾波法憑借出色的糾正誤差能力，特別適合于電流波動(dòng)劇烈的混合動(dòng)力電池，該估算法的缺點(diǎn)在于對系統(tǒng)處理速度的要求較高。
(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布并行處理、非線性映射和自適應(yīng)學(xué)習(xí)等特性，因此可以用于模擬電池動(dòng)態(tài)特性，估算SOC。但是此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，且數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法要求較高，否則會(huì)造成不可接受的誤差。
2.2 均衡管理
在生產(chǎn)電池過程中要經(jīng)過很多道工序，差異化會(huì)造成不一致的狀態(tài)。電池單體的差異主要表現(xiàn)在隨著時(shí)間推移和溫度變化，其內(nèi)阻和容量都會(huì)有差異。單體之間大的差異更容易引起過充或過放現(xiàn)象，造成電池?fù)p壞。實(shí)現(xiàn)電池均衡能夠最大限度地發(fā)揮動(dòng)力電池的效用，延長電池使用壽命，增加安全性。現(xiàn)階段國內(nèi)外主流均衡方法如下：
(1)電阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表，方法簡單，成本低，但是能量損耗比較大，效率較低，只適用于小電流充放電的系統(tǒng)中。
(2)開關(guān)電容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表，它彌補(bǔ)了電阻均衡的缺點(diǎn)。但它控制電路復(fù)雜，均衡速度較慢，用時(shí)較長，不適合大電流使用。
(3)變壓器均衡法。此方法是基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組主動(dòng)均衡控制方法。它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、器件多，體積太龐大，不易于電池組的擴(kuò)展。一般適用于大電流的充放電中。
鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機(jī)充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機(jī)充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。
1 車載鋰離子電池管理系統(tǒng)
作為電動(dòng)汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中可以實(shí)現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預(yù)測電池的功率強(qiáng)度，便于對整個(gè)電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。
在純電動(dòng)汽車中，BMS具有預(yù)測電池剩余電量、預(yù)測行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警并及時(shí)采取斷路等緊急保護(hù)措施。狀態(tài)估計(jì)模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。
目前主要是SOC估算，SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進(jìn)行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實(shí)現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信。
BMS的核心功能是SOC估計(jì)、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機(jī)充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，設(shè)置電池的最佳充放電曲線，例如設(shè)置充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負(fù)載在上電瞬間相當(dāng)于短路，因此需要進(jìn)行預(yù)充電機(jī)充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。
2 電池管理系統(tǒng)的核心功能
2.1 SOC估算
SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中最重要的參數(shù)之一。SOC估計(jì)是判斷電池過充過放的基礎(chǔ)，精確的估計(jì)可以最大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運(yùn)行。
電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準(zhǔn)確完成SOC估算有很大困難。
現(xiàn)有的SOC估算方法如下：
(1)安時(shí)計(jì)量法。安時(shí)計(jì)量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化，因而有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時(shí)間的推移，SOC累計(jì)誤差將不斷加大，影響最終結(jié)果。該方法適合計(jì)量電動(dòng)汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計(jì)量方法。
(2)開路電壓法。鋰離子電池開路電壓與SOC有近似線性關(guān)系，可用來判斷電池內(nèi)部的狀態(tài)。但因測量要求較為嚴(yán)格，需要電池靜置時(shí)間至少在1 h以上，不適合單獨(dú)使用于電動(dòng)汽車內(nèi)電池的在線實(shí)時(shí)檢測。一般情況下，因開路電壓法在充電機(jī)充電初、末期估算值準(zhǔn)確率較高，經(jīng)常將開路電壓法與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。
(3)卡爾曼濾波法。卡爾曼濾波法憑借出色的糾正誤差能力，特別適合于電流波動(dòng)劇烈的混合動(dòng)力電池，該估算法的缺點(diǎn)在于對系統(tǒng)處理速度的要求較高。
(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布并行處理、非線性映射和自適應(yīng)學(xué)習(xí)等特性，因此可以用于模擬電池動(dòng)態(tài)特性，估算SOC。但是此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，且數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法要求較高，否則會(huì)造成不可接受的誤差。
2.2 均衡管理
在生產(chǎn)電池過程中要經(jīng)過很多道工序，差異化會(huì)造成不一致的狀態(tài)。電池單體的差異主要表現(xiàn)在隨著時(shí)間推移和溫度變化，其內(nèi)阻和容量都會(huì)有差異。單體之間大的差異更容易引起過充或過放現(xiàn)象，造成電池?fù)p壞。實(shí)現(xiàn)電池均衡能夠最大限度地發(fā)揮動(dòng)力電池的效用，延長電池使用壽命，增加安全性。現(xiàn)階段國內(nèi)外主流均衡方法如下：
(1)電阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表，方法簡單，成本低，但是能量損耗比較大，效率較低，只適用于小電流充放電的系統(tǒng)中。
(2)開關(guān)電容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表，它彌補(bǔ)了電阻均衡的缺點(diǎn)。但它控制電路復(fù)雜，均衡速度較慢，用時(shí)較長，不適合大電流使用。
(3)變壓器均衡法。此方法是基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組主動(dòng)均衡控制方法。它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、器件多，體積太龐大，不易于電池組的擴(kuò)展。一般適用于大電流的充放電中。
(4)集中式均衡。該方法能迅速地使整個(gè)電池組為電池單體轉(zhuǎn)移能量，集中式均衡模塊的體積更小。但多個(gè)電池的均衡操作不能并行進(jìn)行，而且需要大量線纜連接，不適用于電池?cái)?shù)量較大的電池組。
2.3 熱量管理
溫度對電池各方面的性能都有影響。溫度場的不均勻性將加劇電池組的不一致性，故對其進(jìn)行管理非常必要。熱管理的目的是通過加熱或者散熱措施將電池系統(tǒng)的溫度維持在一定的范圍內(nèi)，并且盡量保持電池組內(nèi)的溫度一致性。
溫度管理主要完成以下4項(xiàng)功能：(1)快速加熱低電阻條件下的電池組；(2)保證電池溫度場的均勻分布；(3)電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；(4)在電池組溫度過高時(shí)，有效地疏散熱量。常用的冷卻方法有自然對流法、強(qiáng)迫空氣對流法、液體流法、相變材料法和熱管理法等，常用的加熱方法有電池內(nèi)部加熱法、加熱板法、加熱套法和熱泵法等。
3 鋰離子電池充電機(jī)充電技術(shù)
3.1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)電池容量的限制選擇不同的充電機(jī)充電模式是延長蓄電池使用壽命的必然選擇。鋰離子電池充電機(jī)充電方法較多，最簡單的是恒定電壓充電機(jī)充電法。鋰離子電池組一般由大量的單體串聯(lián)組成,由于每個(gè)單體制造工藝的差別，存在內(nèi)阻、電壓、容量和溫度的不一致性，易造成充放電過程中的不均衡，即大容量單體淺放、小容量單體過放，這會(huì)對電池組造成嚴(yán)重?fù)p傷。解決不均衡充放電問題是鋰離子電池組的研究重點(diǎn)。
電動(dòng)汽車對電池充電機(jī)充電技術(shù)的要求包括：
(1)充電機(jī)充電過程快速化。動(dòng)力電池比能量低導(dǎo)致一次性充電機(jī)充電續(xù)航里程短，這一直是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素。只要讓蓄電池更快速更有效地充電機(jī)充電，就可以間接彌補(bǔ)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短這一大弱點(diǎn)。
(2)充電機(jī)充電設(shè)備通用化。為了追求相關(guān)學(xué)術(shù)前沿、優(yōu)化自身產(chǎn)品爭取盡可能多的市場份額，各種新型的蓄電池層出不窮，并共存于這個(gè)市場中。在不同種類、不同電壓等級(jí)蓄電池并存的情況下，公共場所中的充電機(jī)充電設(shè)備需要擁有更廣泛的適應(yīng)性，一方面充電機(jī)充電機(jī)需要適用于盡可能多的蓄電池，另一方面對于不同的電壓等級(jí)，充電機(jī)充電機(jī)都需要滿足客戶的要求。
(3)充電機(jī)充電策略智能化。為了盡可能實(shí)現(xiàn)蓄電池的無損充電機(jī)充電，監(jiān)控其充放電狀態(tài)，避免過放電，達(dá)到既節(jié)能又延緩老化的目的，需要更智能的充電機(jī)充電策略。即針對不同的蓄電池提供不同的充電機(jī)充電策略，以吻合該電池充電機(jī)充電曲線。
(4)電能變換高效化。電動(dòng)汽車能量損耗與運(yùn)行成本相關(guān)甚密，要想進(jìn)一步推廣電動(dòng)汽車，必須盡可能地平衡其性價(jià)比，降低能耗。
(5)充電機(jī)充電系統(tǒng)集成化。隨著系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電機(jī)充電系統(tǒng)將和電動(dòng)汽車能源管理系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，集成電流檢測和反向放電保護(hù)等功能，無需外部組件即可實(shí)現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電機(jī)充電解決方案，從而為電動(dòng)汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電機(jī)充電效果，延長電池壽命。
3.2 智能充電機(jī)充電技術(shù)
基于以上對鋰離子電池組及其充電機(jī)充電現(xiàn)狀的分析，針對鋰離子電池組充電機(jī)充電過程中易產(chǎn)生的不均衡性和安全性問題，本文總結(jié)出一種基于電動(dòng)汽車BMS的智能充電機(jī)充電模式，如圖2所示。
在整個(gè)充電機(jī)充電過程中，BMS系統(tǒng)主要針對鋰離子電池組進(jìn)行電池電壓、電流信號(hào)的監(jiān)測和溫度、連接狀態(tài)等的檢測；充電機(jī)充電機(jī)中的智能管理系統(tǒng)針對充電機(jī)充電設(shè)備的輸出模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。BMS系統(tǒng)與充電機(jī)充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能通訊，進(jìn)行電池組與充電機(jī)充電設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)模式比對，為電池組選擇最優(yōu)的充電機(jī)充電模式。
在充電機(jī)充電初始過程中，BMS對鋰離子電池組進(jìn)行允許最大充電機(jī)充電量估計(jì)，即對整個(gè)電池組的單體進(jìn)行SOC評(píng)估，測出電池組最大可充電機(jī)充電量。并結(jié)合預(yù)先設(shè)定的充電機(jī)充電量安全系數(shù)，計(jì)算出電池組最大允許充電機(jī)充電量。
充電機(jī)充電過程中，按照最大允許充電機(jī)充電量對鋰離子電池組進(jìn)行充電機(jī)充電。充分利用BMS的能量管理模塊，對電池組單體進(jìn)行充電機(jī)充電均衡控制，保證單體參數(shù)一致性。同時(shí)在充電機(jī)充電過程中，需要對SOC值進(jìn)行周期性(檢測周期根據(jù)電池荷電量的增加梯度制定)檢測。
利用BMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)功能，結(jié)合安全管理，最大限度防止電池組的過充電機(jī)充電。在達(dá)到電池組最大充電機(jī)充電量之后，BMS和充電機(jī)充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)均可以智能控制充電機(jī)充電控制器，結(jié)束充電機(jī)充電過程。同時(shí)，BMS斷開與充電機(jī)充電機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)的通訊。
智能充電機(jī)充電方式不僅能夠解決鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡問題，也能最大限度地保證電池組充電機(jī)充電安全性，延長鋰離子電池組使用壽命，保證其使用安全性。
4 鋰離子電池檢測技術(shù)
我國大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，并且積極推動(dòng)相關(guān)充電機(jī)充電設(shè)施建設(shè)。但是這些示范性設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)很多問題，如電池的篩選匹配、設(shè)備的發(fā)熱、連接裝置的插拔接口接觸不良等。在少量裝置時(shí)出現(xiàn)的這些問題如果不能解決，在電動(dòng)汽車大量應(yīng)用后，將出現(xiàn)應(yīng)接不暇的局面，勢必對其發(fā)展產(chǎn)生不利影響。
隨著電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)，急需相關(guān)配套檢測方案。天津市電力公司開展《移動(dòng)式電動(dòng)汽車充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備檢測技術(shù)研究》項(xiàng)目，其中針對電動(dòng)汽車換電站最重要的是對電池組的檢測。
電動(dòng)汽車換電站中主要包括電池故障診斷，篩選維護(hù)和基于BMS監(jiān)測的分箱充電機(jī)充電技術(shù)，將針對電池篩選裝置和充電機(jī)充電機(jī)的性能進(jìn)行重點(diǎn)檢測。對鋰離子電池特性的研究和掌握，有利于對換電站中篩選裝置精確度進(jìn)行判斷，提高電池使用壽命。
通過對大量已投入運(yùn)行的充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，有利于掌握其運(yùn)行特性和故障特性，提高檢測效率，形成簡便快捷的移動(dòng)式檢測方案。這將是一道強(qiáng)有力的核心技術(shù)保障，有助于電動(dòng)汽車的全面發(fā)展。
5 結(jié)語
本文對鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對BMS的構(gòu)成和核心功能進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，針對電池組充電機(jī)充電不均衡問題提出了一種智能充電機(jī)充電模式。一套完善的智能充電機(jī)充電系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)充電機(jī)充電機(jī)與電池組之間的供求關(guān)系，為電池組提供更加安全可靠的充電機(jī)充電模式，延長其壽命，增加電池組可靠性且降低運(yùn)行成本，將成為未來電動(dòng)汽車技術(shù)的研究重點(diǎn)。與智能充電機(jī)充電技術(shù)相匹配的便捷的、快速的“移動(dòng)式”充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備檢測裝置的研發(fā)勢在必行。
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