基于AMESim的電動汽車電池安全管理系統控制研究分析

吳志敏

（南京林業大學汽車與交通工程學院，江蘇 南京210037）

0 前言

能源緊缺以及環境惡化等問題的出現使得純電動汽車成為當今汽車行業重點研究對象，而動力電池作為其動力來源，它的性能直接關系到整車的運行狀態[1]。純電動汽車的電池管理系統（BMS）主要負責監測動力電池的狀態，實時地將電池的電壓、電流、溫度等信息顯示出來，防止電池出現過充或者過放等情況，合理管理管理電池工作，以提高電池效率，當出現問題或故障時，向駕駛員發出警告。安全性是行車的首要條件，所以保證電池的安全性是BMS的重要任務[2]。純電動汽車的電池安全性主要保護電壓保護、電流保護、溫度保護等。電池在充放電狀態及閑置狀態時，由于自身或者環境的原因，可能出現電池電壓、電流及溫度超出正常允許范圍，這時就需要BMS可靠地對電池實施保護[3]。電池的安全管理單元（SCU）主要是保證動力電池組在正常工作范圍內工作，當電池電壓、電流、SOC等參數超出電池安全范圍時，SCU就要控制電池的工作狀態以保證電池能夠安全可靠地運行。

AMESim（Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，高級工程系統建模環境）是由法國IMAGINE公司1995推出的主要用于機械、液壓方面的建模分析軟件，后被LMS International收購，該軟件提供了一個系統工程設計的完整平臺，使得用戶可以建立復雜的多學科領域系統的模型，并進行仿真計算和深入的分析[4]。現主要應用于航空航天，車輛、船舶、重工制造業等。

1 電池模型建立

鋰離子電池具有高比能量、高比功率、無污染、壽命長、體積小等特點，因此本文選用磷酸鐵鋰電池[5]。AMESim軟件中有相應的電池模塊，可直接調用，只需設置相應電池參數。如圖1所示為SCU模塊，通過接收端口4的電壓信號、端口5的電流信號、端口6的SOC信號以及端口7的溫度信號，根據設定的電池安全運行參數，控制端口1、2、3的電流輸出，以確保電池系統的安全使用，根據不同的工作條件，SCU將為電池提供最大容許電流。SCU利用電子傳感器提供的數據，如電壓表檢測的電池電壓和電流表檢測的電池輸出電流），溫度傳感器和電池充電狀態估計，然后利用這些信息來計算能被電池接受的安全范圍。本文鋰電池模型設置為100個2.3Ah的小鋰電池串聯為一組，然后10組并聯。

根據整車結構在AMESim中搭建整個電動汽車仿真模型，如圖2所示，主要包括工況模塊、駕駛員模塊、整車模塊、整車控制器模塊、電機模塊、電池模塊、電池安全管理單元（SCU）等。在此模型中，駕駛員將按照工況所要求的速度發送駕駛指令。整車控制器在滿足駕駛員需求的同時，綜合考慮電機能力和電池的安全限值，并將相應的轉矩發送給電機，電機將按照控制器發送的要求力矩驅動車輛行駛。

圖2 電動汽車整車仿真模型

2 參數設置

整車控制器試圖滿足駕駛員的操作意圖，但是電池安全管理系統則給出電池安全限制，因此會限制相關輸出。通過改變相關參數，可以得到SCU對于不同的狀況的安全處理。

參數設置為模擬4個工作條件，如表1所示：

表1 設置模擬4種工作條件參數

（1）標準正常情況：最初的電池SOC值設置為90%，以20℃的外部溫度和電流限制，是典型的高功率電池。

（2）電池電量不足：將SOC設置在10%；

（3）外界溫度過低：將環境溫度設為-20℃

（4）規格較小的電池組：采用的是高功率型的電池組，卻使用了高能量電池的電壓和電流的限值。

3 仿真結果分析

3.1 正常情況

當電池組在SCU正常工作范圍內工作時，可以發現整車處于較好的控制狀態。如圖3所示。當輸入電流與所設置的電流限值相比，還沒有達到極限，電池的尺寸是足夠正常情況使用的（20℃和最大充電狀態）。而且，電池管理單元的瞬時限制是由電流范圍的限制（例如200s和300s之間）或電壓范圍的限制（例如900s-1100s之間）。

3.2 充電不足的蓄電池

在NEDC工況測試時，要求電池的能量能從工況開始，直至工況結束，電池安全策略要求低壓限值保證電池不會過放電，但是充電不足的電池就不會按照NEDC循環結束，如圖4所示，整車控制器控制的車速最后并不會按照原定工況運行，放電電流也逐漸趨于0，電池電壓無限接近電壓下限值。電池安全管理系統在低電池處于SOC狀態時，會限制電壓范圍到0%SOC時的電池開路電壓，以避免電池過放電[6]。

3.3 環境溫度低

環境溫度是電池正常工作的一個基本保障，低溫環境則是一個典型的電池問題。因為在較低的溫度下，電池內部電阻升高和超電勢較高，從而導致電池的可用功率減小，以及根據控制策略要求，整車控制器可能無法滿足駕駛員駕駛要求[7]，如圖5所示，當需要一個高加速度時，電池可用的功率是不足以保證控制速度的。此外，在郊區循環工況中，可用功率不足以控制車速達到120km/h，這由放電電流及電壓值也可以看出。如圖（a）所示，在城市循環工況中，當電池不能提供足夠的功率時，有4個加速度，分別在130s，325s，520s和715s。由于電池溫度太低，為了防止欠壓，電池安全控制單元只能降低整車功率。

4 結語

作為電池的安全管理系統，SCU能夠很好地保護電池在正常范圍內工作，根據不同的參數設置，不僅可以看出SCU對電池安全作出的控制策略，也可以看出整車控制器與SCU的協調工作。

［1］李海軍.電動汽車電池管理系統研究[D].山東：山東理工大學,2008.

［2］王佳.純電動汽車能量管理關鍵技術及高壓安全策略研究[D].北京：北京理工大學,2014.

［3］Gang Ning，Ralph E White，Branko N Popov.A generalized cycle life model of rechargeable Li-ion batteries Electrochimica Acta[J].2006(51)：2012-2022.

［4］胡安平.基于AMESim-Simulink聯合仿真的再生制動系統研究[D].吉林：吉林大學,2008.

［5］黎林.純電動汽車用鋰電池管理系統的研究[D].北京：北京交通大學,2009.

［6］K.W.E Cheng，B.RDivakar，Hongjie Wu，Kai Ding，Ho Fai HO.Battery Management System(BMS)and SOC Development for Electrical Vehicles[J].IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY，2011，60(1)：76-88.

［7］桂長清.溫度對Li FeP04鋰離子動力電池的影響[J].電池,2011,41(2)：88-91.