純電動汽車電池管理系統關鍵技術解析

吳立衛

摘 要：隨著新能源汽車的投入使用，對于電動汽車的研究就不斷的深入。在現階段，新能源汽車中電池是最為核心的技術，尤其是電池管理系統的關鍵技術研究。在本文中，詳細介紹了純電動汽車電池管理系統情況，通過電池管理系統中存在的問題進行分析，從電池性能的角度出發，深入探究鋰電池的使用原理，在利用SOC估算的數學模型，對電池組均衡性提出了解決方式，為保證電動汽車電池管理系統打下基礎。

關鍵詞：電池管理系統 荷電狀態 均衡控制 信息采集

1 引言

隨著社會對環境保護的意識加強，以及我國經濟發展處在新舊動能轉化階段，綠色環保資源的使用得到了很好的發展。在傳統的制造行業中，機械生產帶來產能以及耗能，而綠色資源的產生既能滿足發展的需要，也是對于環境保護起到了積極的作用。在汽車制造領域中，新能源汽車的發展迅猛，以純電動車為代表的汽車生產力得到了很大的提高。在分析和研究新能源汽車發展的過程中，電池是新能源汽車制造的核心因素，尤其在汽車的管理控制系統中，電池也發揮了重要的作用。汽車電池系統在運行中主要是對電量信息使用采集和過程電能保護的效能，在功能中發揮電池的安全性和保障性，利用電力線路中的電壓和電流控制，實現電池的溫度把控，根據實施的運行狀態，及時對電池系統管理起到調控的作用。因此，對于電動汽車的發展研究必然要對電池管理系統進行深入研究。

2 純電動汽車電池管理系統情況分析

結合電動汽車在使用中，電池發揮動力配置的功能特點，并且結合電池管理系統在電動汽車整體系統中的特性，主要將電池管理系統分為以下幾種情況。一是電池管理系統在使用中對各項使用數據進行動態采集。在數據中，根據不同狀態下的電池信息，分析電池組使用基礎數據，同時結合電動車的啟動情況，掌握汽車的基本指標。二是在電池管理系統中，系統對于電池的充放電進行有效的管理，在完成充電管理中，及時調節電壓和電流狀況，保證線路負載安全，利用切換放電模式，根據汽車動力方式，調節電流幅度。考慮到電池控制系統的管理功能，在過程中單體電池還需要進行SOC計算，將荷電的基本情況進行計算，是否滿足電池組的使用需求，將評估結果作為性能使用和可靠性的判斷指標。三是在管理系統中還能起到故障檢測作用。當汽車出現故障或是不良情況，電池使用就會出現異常情況，檢測系統根據數據的變化趨勢分析出故障的基本情況，對于電池線路進行監測，其次對于整體的線路路徑進行查詢。根據檢查的結果形成保護動作元，及時對故障進行保護性處理。通常情況下，在系統短路或是線路出現反接的情況下，監測系統及時將故障情況進行報送。

電池管理系統還具有系統的處理平衡能力，在純電動汽車的開發中，電池主要采用鋰電池作為動力保障，根據多組和單體電池的性能區分，會在使用中對單組電池造成消耗，嚴重時造成電池供電不均衡的情況。電池系統對于這種現象進行平和，對于電池電量的使用達到均衡的狀態，還能起到節約電能的效果。但是，在研究中發現，電池管理系統作為電池組的平衡功能存在一定的技術障礙，現階段是研究的重點，尤其是在拓撲環境中根據結構的變化，采取最為合適的控制策略以達到電池管理的實際用途。在人機交互中，電池管理系統根據電量的變化，及時在狀態顯示中將即時情況進行展示，對于操作者掌握電池系統運行情況起到幫助作用。在電動汽車使用中發現，電池系統受到溫度的影響較為明顯，在極端或是惡劣環境中，電池消耗比正常情況有所提高。電池管理系統在過程中也能對溫度進行一定的調節，盡可能保證電池系統在適溫下運行。

3 純電動汽車電池管理關鍵技術分析

3.1 鋰電池參數分析

在上文提到的SOC模型中，根據估算的情況變化，對電池內部進行電化學分析，再動態的對系統特性進行表達。在數學模型中，電路中模擬電池內部的反應情況，根據基爾霍夫定律，在狀態方程表達中，根據充放電的特性在內外應因素的作用下，根據鋰電池的非線性原則，在模型中以類型進行區分。其中存在Rint模型利用電池的歐姆內在，利用電壓U和電阻R的變化情況描述電池基本狀態。

Rint模型為等效電路，在復雜的電路圖中演化而來，根據電量的關系模擬電池的動態。在實際的使用中，由于等效電路各個參數指標相對變化，能夠很好的在交互頁面中顯示電池的變化情況。

3.2 電路基本情況

在電池組靜止一段時間后，電壓的變化會對充放電的結果產生一定的延遲性，根據電壓的變化情況，將SOC與電壓值相互轉化，根據放電動作完成后，電池靜置的時間判定電壓的變化情況。在電壓值達到穩定后，根據實驗結果曲線得到內阻情況

公式中，Rd為放電過程中電阻值，Rc為充電過程中的電阻值，I1為放電過程中電流，I2為充電過程中電流，在電池組的充電中，電阻值發生改變，根據電阻的變化曲線能夠掌握歐姆電阻R0情況。

3.3 鋰電池SOC估算

精準的對鋰電池的性能進行估算能夠對電池組的充放電情況進行控制，為滿足純電動車的電池管理要求，利用積分法和開路電壓的方式對電池荷電狀況進行計算，通過不同中的策略組合，取得電池使用的最佳情景。

3.3.1 開路電壓法

在函數關系中明確了電池電壓和荷電之間關系，在電池使用后，根據充分放電的機理，將電池進行短暫的靜置，得到的電壓可以認為是默認電壓，電壓的變化情況根據數據的變化及時調整。在開路狀態下，電壓形成電動勢。在多次的計算實驗中，SOC曲線根據充放電情況進行變動，尤其是在充放電的初期和結束階段，實驗中也證明，在不同的時間段，電池的消耗程度影響和電壓的變化有直接關系，排除新舊電池在實驗中的不同，實驗結果也是高度的一致。在開路電壓的測量中，還會受到外界的干擾，溫度變化對于電池的特性影響較為明顯，開路電壓在極端溫度下對SOC估算的精準度有所偏差，利用電池靜置的方式才能短期消除電壓和電池容量對系統參數的影響。

3.3.2 積分法估算

積分估算分是計算荷電的另外一種途徑，根據電流變化的積分計算，得到區間內SOC的變化情況，在起始和終止階段的電流瞬間值的采集，得到荷電基本狀態，并結合電池組額定的容量，檢測出電流的變化。在實際的操作中，積分法對于前后的測量值會出現誤差，根據電流的變化趨勢對積分法的估算值進行調整。

4 純電動汽車電池管理系統均衡分析

4.1 并聯電阻式均衡

并聯電阻法是最早使用的一種能量耗散型均衡方法，它所采用的均衡策略是在每節單體電池的兩端并聯一個能耗電阻，當某節單體電池的能量過高時通過接入能耗電阻消耗其能量，使其恢復至電池組平均水平，防止過充電現象的發生。電池管理系統實時采集每節單體電池的各種信息。當發現某一節單體電池的電量明顯高于其它單體電池時，控制系統將接通與其對應的開關使能耗電阻接入電路，將其多余的電量消耗以保證維持電池組系統平衡。

4.2 開關電容式均衡

開關電容式均衡由于理論上在應用中并沒有能量的損耗，這種方法屬于一種非耗散型均衡，它是利用電容作為能量搬移的中間載體，實現了不同單體電池之間的能量的轉移。每個電池單體與兩個開關電容相連，每個電容通過導線與相鄰的兩節單體電池形成回路，實現兩節電池之間的能量轉移。開關電容均衡是通過二極管控制電容的導通性來實現對電池的均衡。在控制信號間隔期間兩組開關都處于不導通狀態，這樣的設計可大大降低由瞬息大電流的流動而造成短路現象發生的可能性。導通控制信號輪流導通左連接和右連接來控制能量在相鄰電池之間流動，減弱相鄰子組的不均衡，從而使各子組電壓達到平衡。

5 結語

本文通過對純電動車性能參數進行對比，對鋰電池的工作原理進行了介紹并進行了電池管理系統的功能設計和結構設計。利用SOC估算的方式，在數學計算的模式下提出了電池組的結構分析方案，主要是通過拓撲結構和均衡策略的分析，保證電池組在極端和溫度變化環境中的安全穩定。同時對電池管理系統硬件部分進行了設計與分析。由中央控制器對各功能模塊進行控制和管理，各功能模塊之間獨立分工又相互合作，保證了系統的正常運行。在未來的研究中，純電動汽車電池系統中建立等效電路模型和系統參數辨識增加了難度，如何建立一種更高精度的電池模型，并設計一種簡單且高效的動態參數辨識方法仍然需要進一步的研究和實驗。

參考文獻：

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[2]羅玉濤，張保覺，趙克剛.基于神經網絡的動力電池組SOC辨識方法化電池技術，2013.