分析純電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

胡浪 喬俊叁

關(guān)鍵詞：純電動汽車 鋰離子電池 管理系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)

純電動汽車電池使用性能，和電池模塊自身性能、電池管理系統(tǒng)有關(guān)，合理運用鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，有助于為電池過充、放電管理奠定基礎(chǔ)，而且能夠延長電池的使用時間，所以合理使用電池管理系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)非常必要。

1 鋰電池基本結(jié)構(gòu)、主要特性的分析

1.1 鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

鋰離子電池正極材料使用鋰化合物，負極應(yīng)用的為鋰碳層化合物，電解液為有機溶液，鋰離子電池結(jié)構(gòu)通過正極集流體、正極材料，以及電解液和負極材料、負極集流體等組成[ 1 ]。電池負極、電解液間可形成SEI膜，會消耗大量電池內(nèi)鋰離子，增加電極、電解液界面電阻，所以電壓會不同程度下降。需要注意的是，較好的SEI模具存在有機溶劑不溶性特征，允許鋰離子自由進出電極，溶劑分子不能穿越，能對溶劑分子公插所致電極破壞加以抑制，便于切實延長電極循環(huán)的時間。

1.2 鋰離子電池的技術(shù)性能、放電特性

鋰離子電池、其他電池進行比較，存在環(huán)境污染小、使用時間長、自放電率低等優(yōu)勢，因而當(dāng)前被廣泛應(yīng)用。鋰離子電池電壓放電早期可在較短時間下降，然后進到平緩下降期，究其原因和放電電流的大小存在聯(lián)系，電池溫度會受到放電時間增加變化影響，放電電壓降低與放電深度存在聯(lián)系[2]。

2 鋰離子電池管理系統(tǒng)情況研究

電池管理系統(tǒng)BMS主要工作，為確保電池系統(tǒng)設(shè)計的性能安全性、耐久性及動力，其中安全性表現(xiàn)在加強對電池單體/電池組的保護，能夠避免發(fā)生安全事故;耐久性體現(xiàn)在電池可靠區(qū)域內(nèi)，有效延長電池應(yīng)用時間方面;動力性，需確保電池工作達到車輛的需要。MNS通過不同類型傳感器、執(zhí)行器，以及控制器、信號線等方面構(gòu)成，為達到純電動汽車的要求BMS需具備電池參數(shù)檢測、電池狀態(tài)估計、在線故障診斷和電池安全控制、報警等功能。（1）電池參數(shù)檢測主要對總電壓、電流、單體電池電壓、溫度、煙霧、絕緣及碰撞等進行檢測。（2）電池狀態(tài)估計即為對荷電狀態(tài)SOC/放電深度DOD、健康狀態(tài)SOH、功能狀態(tài)SOF、能量狀態(tài)SOE、故障和安全狀態(tài)SOS等加以估計。（3）在線故障診斷多需對故障類型、故障定位、故障信息輸出等方面加以診斷。所謂故障檢測即為將采集傳感器信號，以診斷算法的方式明確故障的類型，在第一時間進行預(yù)警[3]。電池故障指的是電池組、高壓電回路和熱管理等故障。電池組故障為過壓、欠壓、過電流，以及接頭松動、絕緣降低等故障。（4）電池安全控制、報警，涉及熱系統(tǒng)和高壓電安全方面控制，實行BMS診斷故障后能借助網(wǎng)絡(luò)的作用，及時通知整車控制器處理，故此能夠有效避免發(fā)生高低溫、過充、過放等情況。

3 純電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)芻議

3.1 采樣頻率、同步管理系統(tǒng)監(jiān)管技術(shù)信號采樣頻率、同步對數(shù)據(jù)實施分析處理存在積極的影響，進行BMS事后需對信號采樣頻率、同步精度提出明確要求，電池系統(tǒng)信號比較多且電池管理系統(tǒng)主要為分布形式，電流采樣、單片電壓采樣處于各個電路板位置。信號采集期間，各個控制子板信號涉及同步的問題，這對于內(nèi)阻實時監(jiān)測算法會構(gòu)成嚴(yán)重影響，相同單片電壓采集子板使用巡檢的手段，單體電壓間需重視同步，并對不一致性加以深入分析。系統(tǒng)會對各種信號數(shù)據(jù)采樣頻率、同步提出不同的要求，對于慣性較大參量的要求不會很高，純電動車電池放電溫度升高數(shù)量級在每分鐘0.1°C，這個過程應(yīng)考慮到溫度安全監(jiān)控問題、BMS溫度精度溫度，將溫度采樣間隔時間設(shè)置為30s。電壓、電流信號的變化非常快，對采樣頻率、同步性會提出明確要求。通過交流阻抗分析得出，動力電池歐姆內(nèi)阻相應(yīng)ms級，SEI膜離子傳輸阻力電壓相應(yīng)10ms級，電荷轉(zhuǎn)移相應(yīng)在10s級以內(nèi)。當(dāng)前，電動車加速過程驅(qū)動電機電流會經(jīng)小——大變化，最大相應(yīng)時間為0.5s，電流精度在1.2%左右，并且需要考慮到變載工況問題，電流采樣頻率在200Hz以內(nèi)。單片信息采集子板電壓通道最多數(shù)量為24個，純電動乘用車電池通過100節(jié)電池構(gòu)成，單體電池信號采集會使用的較多采集子板。為使電壓保持同步的狀態(tài)，需嚴(yán)格所有采集子板單體電壓采樣時間，每個巡檢周期控制在20ms左右。此外，子板間同步經(jīng)發(fā)送一幀CAN參考幀獲得最理想的效果，數(shù)據(jù)更新頻率>12Hz。

3.2 電池狀態(tài)估計管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電池狀態(tài)涉及電池溫度、SOC、SOS、SOH、SOF/SOE等，電池溫度估計可為其他狀態(tài)估計奠定良好基礎(chǔ)，而SOC估計容易受到SOH所影響，SOF經(jīng)SOC、SOH及SOS、電池溫度確定，SOE、SOC、SOH及電池溫度間的聯(lián)系緊密。

3.2.1 電池溫度估計、管理要點

溫度，對于電池性能會構(gòu)成嚴(yán)重影響，當(dāng)前可對電池表面溫度加以檢測，電池內(nèi)部溫度需借助熱模型的作用加以估計[4]。一般多會使用電池?zé)崮Ｐ停饕獮榱憔S、一維、二維、三維幾個模型，前者主要能對電池充放電溫度變化計算，估計精度較高、模型計量非常小，所以可在實時溫度估計中應(yīng)用;一維模型、二維模型、三維模型，均會使用數(shù)值方法求解傳熱微分方程，以此合理劃分電池網(wǎng)格，對電池溫度場作以合理的計算，這個過程需明確電池結(jié)構(gòu)對于傳熱構(gòu)成的影響。一維模型，需考慮到電池在相同方向溫度分布、其他方向比較均勻;二維模型應(yīng)該考慮到電池2個方向溫度分布狀況，圓柱形電池軸向、徑向溫度分布，能夠明確電池內(nèi)部溫度場情況，主要在薄片電池溫度分析中運用;三維模型能夠準(zhǔn)確顯示出方形電池內(nèi)部溫度場，同時仿真精度非常高，不足：計算量非常大，在實時溫度估計中應(yīng)用效果不佳，但可在實驗室溫度場仿真中使用。為促使三維模型計算結(jié)果更加精確，建議借助三維模型溫度場對結(jié)果進行結(jié)算，準(zhǔn)確表達電池產(chǎn)熱功率、內(nèi)外溫差關(guān)系。如此一來，產(chǎn)熱功率、電池表面溫度估計電池內(nèi)部溫度，均存在BMS應(yīng)用的價值。通常情況下，鋰離子電池工作溫度應(yīng)該保持在18～30°C的范圍， 電動汽車工作溫度保持在零下30°～45°C，需加強電池?zé)峁芾碓诘蜏貢r加熱、高溫時冷卻管理[5]。熱管理涉及設(shè)計、控制方面工作溫度控制主要經(jīng)溫元件檢測電池各個位置溫度，綜合溫度分布狀況對控制電路散熱執(zhí)行器加以管理，這就需要結(jié)合溫度范圍分檔控制，插電式混合動力電池?zé)峁芾矶嗤ㄟ^主動、被動、不冷卻幾個模式管理，動力電池溫度>預(yù)定被動冷卻目標(biāo)溫度，被動散熱模式啟動;溫度持續(xù)升高到主動冷卻溫度，可開啟主動散熱的模式。

3.2.2 SOC估計要點

SOC研究趨于成熟，SOC算法主要包括單一SOC算法、多種單一SOC算法融合算法，前者由安時積分法和開路電壓法構(gòu)成;后者通過修正、加權(quán)和卡爾曼濾波等方法組成。（1）安時積分法中荷電狀態(tài)、起始時刻荷電狀態(tài)、額定容量、庫侖效率分別通過SOC、SOC0、Cn、η表示，放電、充電分別為：1、<1，電流同I表示，充電為負極、放電為正極。起始負荷狀態(tài)準(zhǔn)確條件下，安時積分法可在一段時間內(nèi)達到精度要求，不足：起始SOC0會對荷電狀態(tài)估計精度構(gòu)成直接影響，庫倫效率η易受到電池工作狀態(tài)因素影響，無法確保測量的準(zhǔn)確性[6—7]。電流檢測精度偏差的話，容易引發(fā)累計效應(yīng)，會對荷電狀態(tài)精度構(gòu)成不利影響。（2）開路電壓OVC方法的應(yīng)用，鋰離子電池荷電狀態(tài)、鋰離子活性材料嵌入量間的聯(lián)系緊密，同時和靜態(tài)熱力學(xué)存在關(guān)聯(lián)，靜置后開路電壓能達到平衡電動勢。需要注意事項：某種電池OVC、充放電過程有關(guān)，比如：充電OCV、放電OCV易產(chǎn)生滯回現(xiàn)象。該種方法的應(yīng)用荷電狀態(tài)估計精度非常高，不足：需長時間靜置達到平衡的要求，易受到荷電狀態(tài)、溫度因素作用，可在電動汽車駐車狀態(tài)中應(yīng)用，不建議進行動態(tài)估計。

4 結(jié)語

BMS作為純電動汽車中的重要部分，為延長電動汽車和鋰離子電池管理系統(tǒng)的使用時間，需要明確鋰電池的結(jié)構(gòu)、放電性能，并且有效運用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，進而朝著集成化的方向努力，切實解決SOC估算精度問題，加強能量均衡及充放電管理。