纯电动汽车电池管理系统

纯电动汽车电池管理系统内容摘要：

公司，法国的雷 诺、标致、雪铁龙公司，意大利的菲亚特公司以及瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司等 )不惜投入巨额资金，研究开发新一代电动汽车。 美国国会在 1976 年 7 月通过《电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令》，以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。 此后，美国国会和地方政府制定了一系列强制性法规和政策，特别是 1990 年 9 月美国加利福尼亚州大气资源局颁布了对全球普及电动汽车有着重要影响的“加州立法”，规定在该立法正式生效的 1998 年加州境内销售的零排放汽车要占汽车销售总额的 2%，在 2020 年要达到 10%。 在德国 包括戴姆勒、奔驰、 BMW 和大众汽车在内的多家汽车公司正在积极研制电动汽车，预计最晚在 2020 年，系列化的电动汽车将推向市场。 法国雷诺在巴黎车展 2020 上展出了电动汽车概念车“ . Concept”。 这是展示该公司电动汽车发展方向的一款汽车。 该车的目标是通过高效控制车灯及空调等能耗大的车载设备，实现环保及舒适性能。 美国克莱斯勒公司针对公司三大品牌克莱斯勒、 Jeep 和道奇，已与旗下 ENVI 机构推出 3 套全新的以量产为目标的先进电力驱动技术，日前克莱斯勒在其全球总部揭开了这 3 款电动汽车样车 —— 道奇 EV、 JeepEV 和克莱斯勒 EV 的面纱，并展示了各款样车的性能。 据悉，克莱斯勒将选择其中一款在 2020 年投产，渐次推向北美和欧洲市场。 同时，将在随后几年把电力驱动技术应用到公司的前轮驱动、后轮驱动和非承载式车身结构的四轮驱动平台中去。 国际上涌动的电动汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。 因为电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。 这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国6 家的工业体系面临着重大的调整，选择 发展电动汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我国汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国 家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。 目前，我国部分城市及地区 (武汉、北京、天津、上海、长春、广东等 )以及三大汽车集团都在进行电动汽车的相关项目的开发及课题的研究，全国承担该项目的企业约有 70 多家。 奇瑞汽车有限公司长期致力于纯电动轿车的研究开发工作，并与上海交通大学等国内十多家单位共同承担了国家863 电动汽车重大专项“ QP 纯电动轿车”项目。 该项目解决了一些电动汽车相关的共性技术问题，取 得了一些具有自主知识产权的成果。 天津市清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同承担的国家 863 计划一电动汽车重大专项纯电动轿车项目，该项目在全国首批开发了 5 辆国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化。 汽车新贵深圳比亚迪有限公司在股神巴菲特 亿美元入股刚过一周后即宣布以近 2 亿元人民币的代价收购了一家半导体制造企业 —— 宁波中纬。 这标志比亚迪电动汽车产业化的大幕已逐步开启。 此举将整合电动汽车上游产业链，加 速比亚迪电动车商业化步伐。 2020 北京奥运会期间为彰显“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”理念，北京市兑现了自己的承诺，实现了电动汽车的规模化应用，投入了 50 辆纯电动大客车，做到了奥林匹克公园核心区内的零排放。 而这 50辆纯电动大客车在奥运会上的应用，大部分关键技术出自北京理工大学、清华大学。 电池管理系统概述 电池管理系统的意义 电池管理系统 (battery management system /BMS)是用来对蓄电池组进行安全监控及有效管理，提高蓄电池的使用效率，达到增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性，已经成为电动汽车的不可少的核心部件。 电池是电动汽车的动力源，在电动汽车中占有重要的地位。 如何有效管理和监控电池一直是电动汽车的关键技术之一，而抛开纯单体电池的性能不谈，降低电池造价以及提高电池系统的管理水平也是提高电动汽车整体竞争力的关键因素。 电池组的使用寿命由单体电池的使用寿命和单体电池的均 衡 性、可靠性决定。 一方面是随着电池技术的发展，提高单体电池的7 性能 指标和一致性；另一方面就是提高电池管理水平，建立完善可靠的电池管理系统。 因此电动汽车的电池管理系统是电动汽车必不可少的重要组成部分，研究电池管理系统对电动汽车的发展起到极为重要的作用。 电池管理系统的 现状 随着近几年电动汽车研究和应用的不断升温，国外一些大的汽车生产企业和蓄 电池生产厂家针对各种电动汽车车载电池作了大量研究及试验，构建出了各自的数学模型，成功地开发出电池管理系统，并在车上试用。 其中较典型的电池管理系统有 :美国通用汽车公司生产的“ EVI”型电动汽车上应用的电池管理系统 ； 美国 Aerovironment 公司研发的 LongLife Battery Using Intelligent Modulare Control system(通常称为 :SmartGuard电池管理系统 )； 德国 Mentzer Electronic GmbH和 Wemer Retzlaff研发的 BADICOaCH电池管理系统和 BADIC0aCH电池管理系统。 德国 BATTMAN系统。 美国 ACpropulsion公司开发的名为 BatOPt 的高性能电池管理系统。 通用汽车公司推出的“ EVI”电池管理系统采用了一个微型计算机对电池组进行管理，监测和控制蓄电池的充放电工作状态，预测蓄电池组的荷电状态和剩余能量。 该电动汽车由 26个铅酸蓄电池串联供电，放电深度可达 80%，电池寿命约为 450个深放电周期， 113公里市内行驶里程 (美国环保局指标， USA EPA Schedule)， EVI的电池管理系统功能与特点包括 :单电池电压监测。 电池组电流采用分流采样。 电池组高压断电保护、过放电报警系统、电量里程计算、地线绝缘失效检测及保护。 2. SmartGuard系统 SmartGuard系统主要特点是在电池上装有一分布式的管理装置来测量电池的电压和温度。 该系统的主要功能是 :过充电监测与控制，电池历史纪录，提供最差供电电池单元的信息。 3. BADICOaCH系统 该系统的主要特点是在每个电池单元上有一非线性电路来测量电压，并将电池组各个单元电压通过一条信号线传输给 BADICOaCH系统。 最差的电池单元的剩余电量被显示。 对最近 24个充放电周期的详细数据进行存储，根据该数据对电池工作状况好坏做出判断，并快速查找电池基本信息和错误使用情况。 8 4. BATTNIAN系统 BATTMAN电池管理 系统的最大特点是将所有的不同型号动力电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。 5. BatOPt系统 该系统是一个分布式系统，有中心控制单元和各电池的监控模块构成。 利用 two wire总线，监控模块向中心控制单元传输各个电池工作信息，中心控制单元收集信息后进行优化控制。 此外，日本、法国的汽车企业也研制了各自的电池能量管理系统，在这里就不再作介绍。 电动汽车的快速发展为与其相关的电子技术发展提供了巨大的契机。 电池电子技术就是针对电池的复杂的电化学 系统，依托于电力电子技术、单片机技术、智能控制与最优控制和电化学科学等相关学科而兴起的新应用技术领域分支。 电池电子技术的目标就是将电池应用推向一个更高的阶段，达到少维护、无人管理、高安全、智能化和无公害，最大限度的优化电池的使用和延长电池的寿命。 我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在电池管理系统 (BMS)技术方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。 在国家 863计划 2020年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的 EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模 块、湖南神舟公司承担的 EQ611OHEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。 此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统和 DC/DC变换器等一大批相关课题。 总体来讲，电池管理系统 (BMS)与电机、电机控制技术、电池技术相比，还不是很成熟。 电池管理系统作为电动汽车最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很多方面都已经进入实际 应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在采集数据的可靠性、 SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。 综合电动车研究情况，我们发现各国都存在着同一个现象，即电池是整个电动车研究中出问题最多的部件，严重的甚至威胁到整车安全，大大影响了电动车的研究进程。 主要原因有 : ，目前很难产业化，目前常用的蓄电池可9 存储的能量有限，导致电动车续驶里程短，还远达不到普通燃油汽车的水平，如何合理利用这些有限能源也成了一个不小的问题。 ，如果在使用当中不正确 的操作，如对电的过充电和过放电等，将会损伤电池从而进一步减短电池寿命，严重的会使电池报废。 串联起来为电池汽车提供能量的，由于单电池之间存在个体差异，且在运行中可能由于运行状态的不一样，导致单电池的性能不一致，即会出现有些电池变成落后电池而有些电池状态还比较好的现象。 这种情况下，这些落后的单体电池或模块电池的性能决定着整个蓄电池组的性能，即整个电池组的性能也下降，而且由于落后电池与健康电池是串联使用，会使健康电池的性能受到影响，缩短使用寿命，所以要及时准确的判断出蓄电池组中落后电池。 ，不至 于半路抛锚，在燃油汽车中通过油表来提示，在电动车上是通过提示剩余电量来完成的。 另外剩余电量还是电池状态的一个重要参数，是用来诊断电池的健康状态和判断电池是否过充放电等的重要依据之一。 但是由于蓄电池本身是个复杂的电化学反应系统，且影响电量估测的因素很多，并且在使用中，蓄电池是封闭的，所以对于电量准确估测的难度较大，是个国际性的问题。 所以，在目前情况下，大力发展电池的应用技术，尤其是发展电池管理系统是目前电动汽车发展的主要方向。 国家“十一五” 863燃料电池客车项目在性能上对电池管理系统提出了以下具体要求：电池 管理系统工作稳定；传输的数据真实可靠； CAN通讯功能稳定；有效的 充 放电保护措施和散热环境；通过国家权威机构电磁兼容性试验及振动实验；保证电池与电池箱之间的绝缘电阻；工作温度范围为 20~60℃；电压检测精度为 177。 %；电流检测精度为 177。 %；温度检测精度为 177。 ℃； SOC估计精度为 6%； 电池管理系统的 发展趋势 与电机、电机控制技术、电池技术相比 , BMS还不是很成熟。 BMS作为电动汽车最关键的技术之一 ,近年来已经有很大的提高 ,很多方面都已经进入实际应用阶段 ,但有些部分仍然不够完善 ,尤其是在采集数据的可靠性、 SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。 (1) BMS的设计主要有如下技术难点 :需要采集的数据量大 ,精度要求高。 10 电池状态的非线性变化严重制约了 SOC 的预测精度。 内部电路复杂 ,安全性差 ,抗干扰能力要求高。 (2) 根据对 BMS的功能要求和目前研究中的问题可知 ,如何把握电池内部状态的变化规律 ,用更有效的方式和采用更适当的算法来正确估算 SOC,减小 SOC的估算误差 ,仍将是今后研究的重点。 (3) 在 BMS的安全管理和控制功能模块设计中 ,如何解决电池自身的安全性问题 ,例如 :实现电池组均衡充电、避免高电压和高电流的泄漏、防止对人体造成伤害 ,尤其是在冲力作用条件下 (发生碰撞时 )对电池安全性的控制等 ,还需要进行大量的试验研究。 (4) 目前的很多 BMS应用某一类型的电池时效果很理想 ,但却难以应用到其它类型的电池上。 因此 ,研究更具有通用性的 BMS已经成为目前的发展方向。 研究目的和意义 与其他种类的汽车相比，电动车能给中国汽车制造商创造赶超跨国竞争对手的最好机会。 目前中国已成为世界第二大汽车市场。 但与跨国同行相比，中国汽车制造商在发动机和传动系等关键零部件上仍较落后 ， 即便是在混合动力传动系这类相对较新的发动机技术上，中国企业也远远落后于跨国公司。 而在电动汽车技术方面和国外基本在同一起跑线上。 对我国这样人口众多的国家，发展微型电动汽车尤其重要。 胡锦涛总书记在“十七大”报告中强调，坚持节约资源和保护环境是基本国策，“必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭”。 在我国，加大节能减排力度已列入《国务院2020 年工作要点》中，并制定了相关政策，提出 “十一五”期间，中国汽车工业将重点研究开发和掌握纯电动汽车等新能源汽车整车 和零部件的关键技术。 2020 年 10 月 9 日路透社报道，全球知名电池生产商 Johnson Controls的负责人认为，中国将比世界其他国家更快接受电动汽车，因为中国人口众多、而交通相对较少依赖于汽油。 该公司旗下的电池生产部门 Power Solutions的负责人 Alex Molinaroli表示，中国政府可能会通过。