基于AMESim的電動(dòng)汽車電池安全管理系統(tǒng)控制研究分析

吳志敏

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京210037）

0 前言

能源緊缺以及環(huán)境惡化等問(wèn)題的出現(xiàn)使得純電動(dòng)汽車成為當(dāng)今汽車行業(yè)重點(diǎn)研究對(duì)象，而動(dòng)力電池作為其動(dòng)力來(lái)源，它的性能直接關(guān)系到整車的運(yùn)行狀態(tài)[1]。純電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的狀態(tài)，實(shí)時(shí)地將電池的電壓、電流、溫度等信息顯示出來(lái)，防止電池出現(xiàn)過(guò)充或者過(guò)放等情況，合理管理管理電池工作，以提高電池效率，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題或故障時(shí)，向駕駛員發(fā)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(wù)[2]。純電動(dòng)汽車的電池安全性主要保護(hù)電壓保護(hù)、電流保護(hù)、溫度保護(hù)等。電池在充放電狀態(tài)及閑置狀態(tài)時(shí)，由于自身或者環(huán)境的原因，可能出現(xiàn)電池電壓、電流及溫度超出正常允許范圍，這時(shí)就需要BMS可靠地對(duì)電池實(shí)施保護(hù)[3]。電池的安全管理單元（SCU）主要是保證動(dòng)力電池組在正常工作范圍內(nèi)工作，當(dāng)電池電壓、電流、SOC等參數(shù)超出電池安全范圍時(shí)，SCU就要控制電池的工作狀態(tài)以保證電池能夠安全可靠地運(yùn)行。

AMESim（Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，高級(jí)工程系統(tǒng)建模環(huán)境）是由法國(guó)IMAGINE公司1995推出的主要用于機(jī)械、液壓方面的建模分析軟件，后被LMS International收購(gòu)，該軟件提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使得用戶可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析[4]。現(xiàn)主要應(yīng)用于航空航天，車輛、船舶、重工制造業(yè)等。

1 電池模型建立

鋰離子電池具有高比能量、高比功率、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，因此本文選用磷酸鐵鋰電池[5]。AMESim軟件中有相應(yīng)的電池模塊，可直接調(diào)用，只需設(shè)置相應(yīng)電池參數(shù)。如圖1所示為SCU模塊，通過(guò)接收端口4的電壓信號(hào)、端口5的電流信號(hào)、端口6的SOC信號(hào)以及端口7的溫度信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的電池安全運(yùn)行參數(shù)，控制端口1、2、3的電流輸出，以確保電池系統(tǒng)的安全使用，根據(jù)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(shù)據(jù)，如電壓表檢測(cè)的電池電壓和電流表檢測(cè)的電池輸出電流），溫度傳感器和電池充電狀態(tài)估計(jì)，然后利用這些信息來(lái)計(jì)算能被電池接受的安全范圍。本文鋰電池模型設(shè)置為100個(gè)2.3Ah的小鋰電池串聯(lián)為一組，然后10組并聯(lián)。

根據(jù)整車結(jié)構(gòu)在AMESim中搭建整個(gè)電動(dòng)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(jī)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(fā)送駕駛指令。整車控制器在滿足駕駛員需求的同時(shí)，綜合考慮電機(jī)能力和電池的安全限值，并將相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩發(fā)送給電機(jī)，電機(jī)將按照控制器發(fā)送的要求力矩驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

圖2 電動(dòng)汽車整車仿真模型

2 參數(shù)設(shè)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(tǒng)則給出電池安全限制，因此會(huì)限制相關(guān)輸出。通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)，可以得到SCU對(duì)于不同的狀況的安全處理。

參數(shù)設(shè)置為模擬4個(gè)工作條件，如表1所示：

表1 設(shè)置模擬4種工作條件參數(shù)

（1）標(biāo)準(zhǔn)正常情況：最初的電池SOC值設(shè)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(shè)置在10%；

（3）外界溫度過(guò)低：將環(huán)境溫度設(shè)為-20℃

（4）規(guī)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(jié)果分析

3.1 正常情況

當(dāng)電池組在SCU正常工作范圍內(nèi)工作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)整車處于較好的控制狀態(tài)。如圖3所示。當(dāng)輸入電流與所設(shè)置的電流限值相比，還沒(méi)有達(dá)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(tài)）。而且，電池管理單元的瞬時(shí)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(cè)試時(shí)，要求電池的能量能從工況開始，直至工況結(jié)束，電池安全策略要求低壓限值保證電池不會(huì)過(guò)放電，但是充電不足的電池就不會(huì)按照NEDC循環(huán)結(jié)束，如圖4所示，整車控制器控制的車速最后并不會(huì)按照原定工況運(yùn)行，放電電流也逐漸趨于0，電池電壓無(wú)限接近電壓下限值。電池安全管理系統(tǒng)在低電池處于SOC狀態(tài)時(shí)，會(huì)限制電壓范圍到0%SOC時(shí)的電池開路電壓，以避免電池過(guò)放電[6]。

3.3 環(huán)境溫度低

環(huán)境溫度是電池正常工作的一個(gè)基本保障，低溫環(huán)境則是一個(gè)典型的電池問(wèn)題。因?yàn)樵谳^低的溫度下，電池內(nèi)部電阻升高和超電勢(shì)較高，從而導(dǎo)致電池的可用功率減小，以及根據(jù)控制策略要求，整車控制器可能無(wú)法滿足駕駛員駕駛要求[7]，如圖5所示，當(dāng)需要一個(gè)高加速度時(shí)，電池可用的功率是不足以保證控制速度的。此外，在郊區(qū)循環(huán)工況中，可用功率不足以控制車速達(dá)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(huán)工況中，當(dāng)電池不能提供足夠的功率時(shí)，有4個(gè)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(jié)語(yǔ)

作為電池的安全管理系統(tǒng)，SCU能夠很好地保護(hù)電池在正常范圍內(nèi)工作，根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置，不僅可以看出SCU對(duì)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(xié)調(diào)工作。

［1］李海軍.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究[D].山東：山東理工大學(xué),2008.

［2］王佳.純電動(dòng)汽車能量管理關(guān)鍵技術(shù)及高壓安全策略研究[D].北京：北京理工大學(xué),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(lián)合仿真的再生制動(dòng)系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學(xué),2008.

［5］黎林.純電動(dòng)汽車用鋰電池管理系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué),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(zhǎng)清.溫度對(duì)Li FeP04鋰離子動(dòng)力電池的影響[J].電池,2011,41(2)：88-91.