新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 車(chē)載電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1電動(dòng)汽車(chē)研究狀況及車(chē)載電池管理系統(tǒng)的重要性

在電動(dòng)汽車(chē)族中首先發(fā)展起來(lái)的是純電動(dòng)汽車(chē)（EV），它的能源完全由車(chē)載的電池組提供，目前由于受電池成本高、續(xù)駛里程短、充電設(shè)施不足的限制，它完全走向市場(chǎng)化還有一定距離。混合電動(dòng)車(chē)（HEV）是電動(dòng)汽車(chē)研制中的后起之秀，它綜合了傳統(tǒng)汽車(chē)引擎驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩大優(yōu)點(diǎn)，HEV的主要能源仍然是汽油、柴油燃料，電池組的能量主要用在汽車(chē)啟動(dòng)、爬坡行駛時(shí)為汽車(chē)提供輔助動(dòng)力；在剎車(chē)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，能量回收到電池組中。傳統(tǒng)汽車(chē)相當(dāng)多的污染是在啟動(dòng)時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的，因此HEV既解決了大部分的環(huán)境污染問(wèn)題，又不受EV的行駛里程的限制，而且還降低了能耗，提高了汽車(chē)的效率和自動(dòng)化程度。另一方面，HEV上配備的電池容量和重量都要比EV小得多，其電池成本大幅度降低，目前已小批量生產(chǎn)銷(xiāo)售近20萬(wàn)輛。

對(duì)電動(dòng)汽車(chē)研究開(kāi)展得比較早的研究機(jī)構(gòu)、公司多集中在美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家。轎車(chē)車(chē)體的研發(fā)主要是集中在2～5座的轎車(chē)上；電池以前多采用鉛酸電池，現(xiàn)在則用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池；驅(qū)動(dòng)電機(jī)既有直流電機(jī)，也有交流電機(jī)，電機(jī)連續(xù)功率多在15KW～50KW之間；快速充電方法及制動(dòng)能量回收方法的研究也有很大的進(jìn)展。

目前國(guó)內(nèi)多家汽車(chē)廠也已開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)的研制和開(kāi)發(fā)，“九五”期間，東風(fēng)汽車(chē)公司聯(lián)合多家單位成功研制出了一輛電動(dòng)概念車(chē)?！笆濉逼陂g，國(guó)家已投入大量人力、物力進(jìn)行對(duì)電動(dòng)車(chē)的研制開(kāi)發(fā)。本論文課題就是結(jié)合國(guó)家“863”混合電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目展開(kāi)研究和試驗(yàn)工作的。

針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)，電池管理系統(tǒng)不僅能夠正確監(jiān)測(cè)使用過(guò)程中消耗的電池能量，而且能夠預(yù)測(cè)電池所剩余的電量即剩余電量，并根據(jù)汽車(chē)的當(dāng)前行駛工況，預(yù)測(cè)汽車(chē)的續(xù)駛里程，這樣可減輕駕駛員的心理負(fù)擔(dān)，以避免半路拋錨。而對(duì)于混合電動(dòng)汽車(chē)，電池管理系統(tǒng)不僅要監(jiān)測(cè)電池的剩余電量SOC，還要預(yù)測(cè)電池的功率強(qiáng)度，以便監(jiān)控電池的使用工況，在汽車(chē)啟動(dòng)和加速時(shí)提供足夠的輸出功率，剎車(chē)時(shí)電池組能回收更多的能量即提供足夠的輸入功率，并且不對(duì)電池組造成傷害。電池的剩余電量直接決定EV的最大續(xù)駛里程；而電池的功率強(qiáng)度則直接影響HEV的加速性能，對(duì)他們的狀態(tài)估計(jì)是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電動(dòng)車(chē)上的電池一般都是采用多個(gè)電池串聯(lián)使用的，串聯(lián)使用的電池的充放電和單體電池的充放電過(guò)程相比較要復(fù)雜的多，主要原因就是在電池組內(nèi)電池的不一致性。電池的不一致性會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車(chē)的性能，因此對(duì)單體電池進(jìn)行均衡也十分重要。

當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放等異常情況時(shí)，電池的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)并對(duì)充電機(jī)或用電設(shè)備給出控制信號(hào)，同時(shí)建立電池的歷史檔案，根據(jù)這些歷史檔案給出每個(gè)電池的健康狀態(tài)即維護(hù)信息，起到電池保健醫(yī)生的作用。

總之，電池管理系統(tǒng)是一個(gè)處于監(jiān)控運(yùn)行及保護(hù)電池關(guān)鍵技術(shù)中的核心地位，能給出剩余電量和功率強(qiáng)度預(yù)測(cè)、進(jìn)行智能充電和電池診斷安全等功能集合的綜合系統(tǒng)。

2.2國(guó)外電池管理系統(tǒng)研究狀況

隨著近十年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)研究和使用的不斷升溫，國(guó)外一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商針對(duì)各種電池作了大量研究及試驗(yàn)，總結(jié)出電池的數(shù)學(xué)模型，并成功開(kāi)發(fā)出許多電池管理系統(tǒng)裝在車(chē)上試用。比較有代表性的有：德國(guó)Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)；德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)；美國(guó)通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironment公司開(kāi)發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)（Long——Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國(guó)AC Propulsion公司開(kāi)發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)；日本豐田的混合車(chē)用系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展為相關(guān)的電池電子技術(shù)的發(fā)展提供了巨大的契機(jī)。電池電子技術(shù)就是針對(duì)電池這樣一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，依托于電力電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、智能控制與模糊邏輯和電化學(xué)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科而興起的新應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域分支。電池電子技術(shù)的目標(biāo)就是將電池應(yīng)用推向一個(gè)更高的階段，達(dá)到少維護(hù)、無(wú)人管理、高安全、智能化和無(wú)公害，最大限度的優(yōu)化電池的使用和延長(zhǎng)電池的壽命。

2.2.1 BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系

BADICHEQ系統(tǒng)是在1991年開(kāi)始設(shè)計(jì)的，并于1991年12月首次裝車(chē)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和修改，于1992年4月達(dá)到如下功能：

• 能同時(shí)對(duì)20個(gè)電池單元進(jìn)行電壓測(cè)量；
• 能進(jìn)行電流和溫度測(cè)量；
• 能根據(jù)電池單元對(duì)主充電機(jī)的充電電流進(jìn)行控制；
• 能用一個(gè)小的充電機(jī)對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行均衡充電；
• 能儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)和與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；
• 在儀表盤(pán)上顯示最差電池單元的剩余電量、電池電流、實(shí)際電池電量以及各種異常報(bào)警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統(tǒng)的改進(jìn)，它有以下特點(diǎn)：

• 它的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是在每個(gè)電池單元上加一個(gè)非線性電路（WLC）來(lái)測(cè)量電壓，并將一個(gè)電池組的八個(gè)單元電壓都通過(guò)一條信號(hào)線傳遞給BADICOaCH系統(tǒng)，并在那里解碼；
• 裝有兩條PWM信號(hào)輸出線來(lái)控制充電電流和電壓的大小；
• 最差電池單元的剩余電量被顯示出來(lái)；給最差電池單元以過(guò)放保護(hù)，給出停止使用信號(hào)；
• 對(duì)最近24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯并允許在對(duì)電池好壞作判斷時(shí)進(jìn)行快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況；
• 與PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。2.2.2 BATTMAN系統(tǒng)

  BATTMAN電池管理系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了將所有的不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理。之所以要這樣作，是根據(jù)對(duì)不同型號(hào)的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認(rèn)為這些共同的部分是：

  • 決定電池能存貯的電流能量；
  • 決定最弱電池單元的剩余電量；
  • 能影響電池的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的記錄；
  • 溫度的測(cè)量。

  
  2.2.3 EV1的電池管理系統(tǒng)

  通用汽車(chē)公司推出的EV1電動(dòng)汽車(chē)由26個(gè)鉛酸蓄電池供電，放電深度80％，電池壽命是450個(gè)深放電周期，113公里市內(nèi)行駛里程（美國(guó)環(huán)保局指標(biāo)，USA EPA Schedule），145公里高速公路行駛里程（美國(guó)環(huán)保局指標(biāo)，USA EPA Schedule）。
  
  EV1的電池管理系統(tǒng)概念定義包括四個(gè)組成部分：

  • 電池模塊（用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)和其它用電系統(tǒng)）
  • 軟件BPM（Battery Pack Module）
  • 電池組熱系統(tǒng)電池組高壓斷電保護(hù)裝置（High Voltage Disconnect）

  
  可見(jiàn)，EV1的電池管理系統(tǒng)的核心是BPM.BPM有以下功能：

  • 單電池電壓監(jiān)測(cè)
  • 電池組電流分流采樣電池組高壓保護(hù)（保險(xiǎn)絲）
  • 六個(gè)熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣
  • 以電池組的平均特性控制充電
  • 過(guò)放電報(bào)警并降低電動(dòng)汽車(chē)行駛性能
  • 電量或里程計(jì)算高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）

  
  總的說(shuō)來(lái)，EV1的電池管理系統(tǒng)與一般意義上的電池管理系統(tǒng)有區(qū)別，它把系統(tǒng)側(cè)重點(diǎn)放在了電池組的可靠性（Safety Features）上。EV1電池管理系統(tǒng)的可靠性措施有：

  • 電池組高壓斷電保護(hù)裝置
  • 手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)
  • 地線絕緣失效檢測(cè)
  • 自動(dòng)開(kāi)關(guān)與手動(dòng)開(kāi)關(guān)連鎖

  2.2.4 SmartGuard系統(tǒng)

  這個(gè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在電池上裝有一個(gè)分布式的管理裝置（用了專(zhuān)用IC）來(lái)測(cè)量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號(hào)來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。
  
  SmartGuard的主要功能有：

  • 過(guò)充檢測(cè)并防止過(guò)充；
  • 提供放電極性反向報(bào)警；
  • 電池歷史記錄和歸檔；
  • 提供最差電池單元的剩余電量信息。

  
  2.2.5 BatOpt系統(tǒng)

  該系統(tǒng)由每個(gè)電池上的監(jiān)控模塊和中心控制單元組成一個(gè)分布式系統(tǒng)。通過(guò)two_wire總線，監(jiān)控模塊向主控單元報(bào)告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動(dòng)和自動(dòng)充電策略，它有如下特點(diǎn)：

  • 每個(gè)模塊提供5安培的均充電流；
  • 模塊有溫度監(jiān)控
  • two_wire總線接口。

  2.3國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究

  目前，國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)也有近10家在開(kāi)展研究工作，有的單位已開(kāi)發(fā)出管理系統(tǒng)，但是由于車(chē)載電池的區(qū)別和實(shí)驗(yàn)條件不具備，車(chē)用電池管理系統(tǒng)的研制中還有許多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有解決好，技術(shù)不夠成熟，具有很大的發(fā)展空間。
  
  一些研究機(jī)構(gòu)研制的電池管理系統(tǒng)主要是針對(duì)電池組靜態(tài)進(jìn)行的充放電試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)問(wèn)題考慮少。在混合電動(dòng)車(chē)上，電池的使用情況更加復(fù)雜，大容量電機(jī)帶來(lái)的干擾問(wèn)題也更加嚴(yán)重、突出。這些對(duì)電池管理系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性、安全性，都提出了更高的要求。
  
  本課題組以前研制出了針對(duì)鎳氫電池的BMS-Ⅰ、BMS-Ⅱ系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，考慮鋰電池大客車(chē)的要求并綜合國(guó)外的先進(jìn)成果，對(duì)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及結(jié)構(gòu)，特別是硬件做了很大改進(jìn)，完成了新的鋰電池管理系統(tǒng)。這套管理系統(tǒng)與以前的系統(tǒng)相比，有了很大的進(jìn)步，功能更加先進(jìn)和完善，設(shè)計(jì)思路也更趨于合理。
  
  如采用移位電路測(cè)量單電池電壓、多CAN總線通訊及數(shù)據(jù)傳輸、單總線測(cè)量溫度，新的SOC估計(jì)算法，引入均衡模塊和模糊診斷專(zhuān)家系統(tǒng)等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了分布式、模塊化。人機(jī)交互界面上也做到了人性化，進(jìn)一步提高了實(shí)用性。