電池管理系統國內外現狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢 一、前言<BR><BR> 目前，影響電動(dòng)汽車(chē)推廣應用的主要因素包括動(dòng)力電池的安全性和使用成本問(wèn)題，延長(cháng)電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。<BR><BR> 為確保電池性能良好，延長(cháng)電池使用壽命，必須對電池進(jìn)行合理有效的管理和控制，為此，國內外均投入大量的人力物力開(kāi)展廣泛深入的研究。例如，日本青森工業(yè)研究中心從1997年開(kāi)始至今，仍在持續進(jìn)行（BMS）實(shí)際應用的研究[1]；美國Villanova大學(xué)和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類(lèi)型的電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預測[2]；豐田、本田以及通用汽車(chē)公司等都把BMS納入技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。 我國在十五期間設立電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)門(mén)研究項目，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展之后，在BMS方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。在國家863計劃2005年第一批立項研究課題中，就分別有北京理工大學(xué)承擔的EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊、湖南神舟公司承擔的EQ6110HEV混合動(dòng)力城市公交車(chē)用大功率鎳氫動(dòng)力電池及其管理模塊、蘇州星恒電源有限公司承擔的燃料電池轎車(chē)用高功率型鋰離子動(dòng)力電池組及其管理系統、北京有色金屬總院承擔的解放牌混合動(dòng)力城市客車(chē)用鋰離子電池及管理模塊等課題。此外還有清華大學(xué)、同濟大學(xué)等承擔的多能源動(dòng)力總成控制系統和DC/DC變換器等一大批相關(guān)課題。 二、BMS的基本結構 BMS的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為:數據采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數據，再由電子控制單元（ECU）進(jìn)行數據處理和分析，然后根據分析結果對系統內的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息?；谏鲜鲈?，美國托萊多大學(xué)提出一個(gè)典型的BMS基本結構框圖（圖1）[3]。這個(gè)典型的系統把BMS簡(jiǎn)化劃分為1個(gè)ECU和1個(gè)均衡電池之間電荷水平的均衡器（EQU）兩大部分。其中ECU的任務(wù)主要由4個(gè)功能組成:數據采集、數據處理、數據傳送和控制。ECU也控制均衡器、車(chē)載充電器等電池維護設備。 圖2是韓國Ajou大學(xué)和先進(jìn)工程研究院開(kāi)發(fā)的BMS系統的組成結構及其相互邏輯關(guān)系[4]。該系統在上述結構中進(jìn)行功能擴展，即增設熱管理系統、安全裝置、充電系統以及與PC機的通信聯(lián)系。另外還增加與電動(dòng)機控制器的通信聯(lián)系，實(shí)現能量制動(dòng)反饋和最大功率控制。 湖南大學(xué)研發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)（EV23號）采用的集中式BMS結構示意圖見(jiàn)圖3。該BMS系統最大的優(yōu)點(diǎn)是采用電壓隔離開(kāi)關(guān)矩陣提高數據采集的可靠性和系統的安全性。其內部多條隔離的數字及模擬信號輸入輸出通道不僅可以根據要求靈活使用，而且有效增強系統的抗干擾能力。 現在國外正在開(kāi)展基于智能電池模塊（SBM）的BMS研究，即在1個(gè)電池模塊中裝入1個(gè)微控制器并集成相關(guān)電路，然后封裝為一個(gè)整體，多個(gè)智能電池模塊再與1個(gè)主控制模塊相連，加以其它輔助設備，就構成1個(gè)基于智能電池的管理系統。該BMS成功實(shí)現對每個(gè)電池模塊的狀態(tài)監測、模塊內電池電量均衡和電池保護等功能[5]。美國Micron公司開(kāi)發(fā)的軍用電動(dòng)車(chē)輛BMS采用的就是這種結構[6]。 三、BMS功能組成部分概述 綜合國內外的研究工作，目前所設計的電動(dòng)汽車(chē)用BMS通常包含以下功能組成部分[7]:數據采集、剩余容量（SOC）的估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）、熱管理、安全管理和數據通信。 （一）數據采集 在BMS中，采集到的數據是對電池作出合理有效管理和控制的基礎。因此，數據的精度、采樣頻率和數據過(guò)濾就非常重要。鑒于電壓、電流、溫度的動(dòng)態(tài)變化特征，采樣頻率通常應不低于1次/s[7]。鋰離子電池的安全性要求高，對電壓敏感，所以必須采集每個(gè)單體電池的電壓，監測到每個(gè)電池的溫度。鎳氫電池和鉛酸電池對電壓和溫度的采集精度要求不像鋰離子電池那樣高，有時(shí)為簡(jiǎn)化BMS的結構，對電壓和溫度成對或成組采集。例如，文獻[8]中研發(fā)的鎳氫BMS在每組由10個(gè)單體電池組成的電池組中設置5個(gè)電壓測量點(diǎn)；而對于溫度測量，每個(gè)電池組設置1個(gè)測量點(diǎn)。 hezuo@hewitec.com 鋰離子/鎳氫動(dòng)力電池管理系統提供商 爭做BMS電池管理系統國內領(lǐng)跑者。真誠與您合作。 | |
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 | 回復：電池管理系統國內外現狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢 （二）SOC的估算 電池剩余容量（SOC）的確定是BMS中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車(chē)電池在使用過(guò)程中表現的高度非線(xiàn)性，使準確估計SOC具有很大難度。傳統的SOC基本估算方法有開(kāi)路電壓法、內阻法和安時(shí)法等。近年來(lái)又相繼研發(fā)出許多對電池SOC的新型算法，例如模糊邏輯算法模型[2]、自適應神經(jīng)模糊推斷模型[9]、卡爾曼濾波估計模型算法[10]以及新出現的線(xiàn)性模型法和阻抗光譜法等[11]。 開(kāi)路電壓法適用于測試穩定狀態(tài)下的電池SOC，在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中不宜單獨使用。開(kāi)路電壓法通常用作其它算法的補充[11]。內阻法是根據蓄電池的內阻與SOC之間的聯(lián)系來(lái)預測SOC。但電池的內阻受多方面的因素影響，測量結果易受干擾，可信度不高。再加上這種方法比較復雜，計算量大，因此在實(shí)際應用中比較困難[12]。安時(shí)法通過(guò)對電流積分的方法記錄從蓄電池輸出的能量或者輸入蓄電池的能量，再根據充放電的起始SOC狀態(tài)，就可以計算出蓄電池的SOC。該方法最為直接明顯，而且簡(jiǎn)單易行，在短時(shí)間內具有較高精度，但長(cháng)時(shí)間工作時(shí)有較大的累積誤差[10-11]。 實(shí)際應用中，安時(shí)法是目前最常用的方法，且常與其它方法組合使用，如安時(shí)內阻法、安時(shí)-Peukert方程法、安時(shí)開(kāi)路電壓法[13]。這些組合算法通常比單純使用安時(shí)法精度更高。各種智能算法和新型算法由于還不是很成熟，有些復雜算法在單片機系統上難以實(shí)現，所以在實(shí)際應用中還不多見(jiàn)，但這是未來(lái)發(fā)展的方向。 為了更準確估算SOC，在算法中還需要考慮對電池的溫度補償、自放電和老化等多方面因素。例如，韓國Ajou大學(xué)和先進(jìn)工程研究院的研究人員對鎳氫電池SOC的估算中考慮電池的實(shí)際可用容量（包含了對溫度的考慮）、自放電率和電池老化對容量的影響，提出了SOC計算公式[5]為 SOC（%）=100%×（額定容量+容量補償因數+自放電效應+老化效應-放電量+充電量）/額定容量 其SOC估算精確度在±3%內。 （三）電氣控制 德國的JossenA等研究人員認為電氣控制需要實(shí)現的功能有:控制充電過(guò)程，包括均衡充電；根據SOC、電池健康狀態(tài)（SOH）和溫度來(lái)限定放電電流[7]。電氣控制中需要結合所使用的電池技術(shù)和電池類(lèi)型來(lái)設定一個(gè)控制充電和放電的算法邏輯，以此作為充放電控制的標準。 在BMS中，均衡充電是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節。動(dòng)力電池一般由多節較大容量單體電池串聯(lián)而成。但由于單體電池之間存在不一致性，這會(huì )降低電池組的使用水平，嚴重影響電動(dòng)汽車(chē)的性能，危及電動(dòng)汽車(chē)的安全[14]。例如，在湖南大學(xué)研發(fā)的EV23中發(fā)現，當沒(méi)有采用均衡充電時(shí)，電池經(jīng)過(guò)多次的充放電之后，10個(gè)單體電池為1組的鎳氫電池組間電壓差最大約為2V。 均衡充電的方案有多種，選擇時(shí)首先要考慮電路復雜程度和均衡效率。美國托萊多大學(xué)在其BMS中采用一種集中式、非耗散型的選擇性推進(jìn)均衡器[15]。這種方案是通過(guò)控制繼電器網(wǎng)絡(luò )的切換來(lái)對所選擇的單體電池進(jìn)行均衡充電，硬件設備比獨立均衡簡(jiǎn)單，但效率相對較低。北京理工大學(xué)在其研發(fā)的電動(dòng)客車(chē)BFC6100EV上采用一種電池組均衡充電保護系統方案，實(shí)現均衡充電和電池保護的綜合運用[16]。 hezuo@hewitec.com 鋰離子/鎳氫動(dòng)力電池管理系統提供商 爭做BMS電池管理系統國內領(lǐng)跑者。真誠與您合作。 |
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| 回復：電池管理系統國內外現狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢 （四）安全管理和控制 電池自身的安全問(wèn)題，尤其是鋰離子電池在過(guò)充電時(shí)會(huì )著(zhù)火甚至爆炸，因此電池使用的安全問(wèn)題是國內外各大汽車(chē)公司和科研機構當前所面臨和必須解決的難題，它直接影響電動(dòng)汽車(chē)是否能夠普及應用。BMS在安全方面主要側重于對電池的保護，以及防止高電壓和高電流的泄漏，其所必備的功能有:過(guò)電壓和過(guò)電流控制、過(guò)放電控制、防止溫度過(guò)高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。 這些功能可以與電氣控制、熱管理系統相結合來(lái)完成。許多系統都專(zhuān)門(mén)增加電池保護電路和電池保護芯片。例如文獻[5]中的BMS，其智能電池模塊的電路設計還具有單體電池斷接功能。安全管理系統最重要的是及時(shí)準確地掌握電池各項狀態(tài)信息，在異常狀態(tài)出現時(shí)及時(shí)發(fā)出報警信號或斷開(kāi)電路，防止意外事故的發(fā)生。 （五）熱管理 電池在不同的溫度下會(huì )有不同的工作性能，如鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池的最佳工作溫度為25～40℃。溫度的變化會(huì )使電池的SOC、開(kāi)路電壓、內阻和可用能量發(fā)生變化，甚至會(huì )影響到電池的使用壽命。溫度的差異也是引起電池均衡問(wèn)題的原因之一。美國可再生能源國家實(shí)驗室的AhmadA.Pesaran指出熱管理系統的主要任務(wù)有:使電池工作在適當的溫度范圍內；降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異[17]。使用車(chē)載空調器可以實(shí)現對電池溫度的控制，這也是電動(dòng)汽車(chē)常用的溫度控制方法。 （六）數據通信 數據通信是BMS的重要組成部分之一。在BMS中，目前數據通信方式主要采用CAN總線(xiàn)通信方式。在廈門(mén)大學(xué)與清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的BMS中，其內部各模塊之間使用一個(gè)內部CAN網(wǎng)絡(luò )，在通信與顯示模塊中還有另外一個(gè)CAN通信接口接入到整車(chē)CAN通信網(wǎng)絡(luò )中[18]。而在同濟大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)試驗用于超越二號燃料電池電動(dòng)汽車(chē)上的BMS中，內部模塊采用LIN總線(xiàn)通信，與整車(chē)的通信則采用CAN總線(xiàn)方式[19]。 在采用智能電池模塊時(shí)可以選擇使用無(wú)線(xiàn)通信方式，或者通過(guò)電力載波的方式與主控制器通信。這2種通信方式都可以減少BMS的布線(xiàn)，降低電動(dòng)汽車(chē)內部的電路復雜程度，但其可靠性和抗干擾能力不如CAN總線(xiàn)。 另外，每個(gè)BMS基本上都留有與計算機的通信接口，便于在計算機上對電池數據信息進(jìn)行分析。 四、BMS的未來(lái)研究方向和發(fā)展趨勢 與電機、電機控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，BMS還不是很成熟[20]。BMS作為電動(dòng)汽車(chē)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，近年來(lái)已經(jīng)有很大的提高，很多方面都已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在采集數據的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。 （1）BMS的設計主要有如下技術(shù)難點(diǎn):需要采集的數據量大，精度要求高；電池狀態(tài)的非線(xiàn)性變化嚴重制約了SOC的預測精度；內部電路復雜，安全性差，抗干擾能力要求高。 （2）根據對BMS的功能要求和目前研究中的問(wèn)題可知，如何把握電池內部狀態(tài)的變化規律，用更有效的方式和采用更適當的算法來(lái)正確估算SOC，減小SOC的估算誤差，仍將是今后研究的重點(diǎn)。 （3）在BMS的安全管理和控制功能模塊設計中，如何解決電池自身的安全性問(wèn)題，例如:實(shí)現電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對人體造成傷害，尤其是在沖力作用條件下（發(fā)生碰撞時(shí)）對電池安全性的控制等，還需要進(jìn)行大量的試驗研究。 （4）目前的很多BMS應用某一類(lèi)型的電池時(shí)效果很理想，但卻難以應用到其它類(lèi)型的電池上。 因此，研究更具有通用性的BMS已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。 |
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