新能源汽車電池管理系統設計研究

孟祥瑋，趙海波，姜春寶

（惠州海關綜合技術中心，廣東 惠州 516006）

0 引言

隨著傳統石化能源的不可再生消耗以及汽車數量的劇增，促進了社會經濟的發展和人類生活水平的提高，但是也讓人類面臨著嚴峻的能源緊缺和環境污染問題，因此，為了提倡節能和環保，新能源汽車成為未來發展的主要方向，隨著對低碳生活的追求，世界各國逐漸開始重視新能源的開發利用。為了降低溫室氣體的排放和大氣污染，推廣新能源體系電池在交通領域的廣泛應用具有十分重要的意義，也受到越來越多人的關注和研究，新能源汽車也逐漸走入到人們的日常生活中。目前，電池在新能源汽車領域尚未得到廣泛推廣應用的主要因素在于電池使用的安全性和成本問題，延長電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。

電池管理系統是連接動力電池和汽車的重要系統，是電動汽車的關鍵部件，能直接影響電動汽車的性能。近年來，隨著人們對新能源汽車續航能力以及動力電池安全性及壽命的追求持續增長，電池管理系統的重要性日益受到重視[1]。電池管理系統作為汽車動力電池的管理者，擁有車輛運行時動力系統的全部數據，這些數據對于改進提升汽車動力系統、乃至整車性能都具有極高價值，因而占據電池產業鏈的價值最高。為了保證新能源汽車安全、高效的運行以及提高電池使用壽命，電池管理系統的設計對于新能源汽車至關重要。

1 電池管理系統研究的意義及現狀

1.1 電池管理系統研究的意義

1.1.1 符合國家政策導向和全球發展熱點

隨著新能源緊缺、石油漲價、城市環境污染的日益嚴重，替代石油的新能源開發利用越來越被各國政府所重視。新能源體系中，電池系統是其中不可或缺的重要組成部分，近年來，以電池管理系統為動力的純電動汽車和混合電動汽車作為主力軍得到國家大力支持，受到人們的關注，成為全球電動汽車發展熱點。

1.1.2 最優化效能的電池管理系統成為新能源汽車的發展趨勢行業競爭的優勢

新能源汽車的發展存在許多動力電池需要解決和完善的問題，而動力電池作為新能源汽車的核心能源，目前動力電池存在能量密度低、循環壽命短等問題[2]。同時，新能源汽車動力電池的能量密度和壽命問題，也一直影響和制約著新能源汽車的普及與應用。傳統電池系統的低壽命、質量重、體積大、污染嚴重成為本領域人員急待解決的一個技術難題，因此，高能量密度、長使用壽命的電池管理系統應用于新能源汽車是必然發展趨勢。

1.2 電池管理系統研究的現狀及發展趨勢

目前電池管理系統電池充放電效率高達98%以上，但高效率同時產生了極差的抗不均衡性特性，在最優化電池效能的同時還要防止電池單體發生過充電、過放電以及過電流等問題。隨著電池研發技術的不斷提高，新能源汽車電池系統的未來發展趨勢如下所述：

（1）隨著新能源汽車安全性要求的提高，汽車標委會正在制定電池管理系統的國家標準，電池管理系統技術標準將日趨嚴格；

（2）隨著三元電池模組滲透率提升和研究，使得對電池安全性的管理要求越來越嚴格；

（3）電池管理系統的核心在于主動式電池均衡和電流積分估算算法設計，輕資產硬件設計公司將有較高盈利能力；

（4）整車企業和電池單體企業都有向電池管理系統產業鏈延伸規劃，技術壁壘和研發投入制約，上下游企業延伸難度高，電池管理系統整體解決外包是一種合理市場行為。

2 當前新能源汽車電池管理系統存在的問題

2.1 電池過度充電導致電池過熱，電池循環壽命降低

新能源汽車運行中所需要的動能是通過電池系統發生化學反應將化學能轉化為電能來提供的。如果對電池過度充電時，一方面，會降低電池在化學反應中的還原能力，導致電池循環次數減少。另外，會導致電極表面半透膜發生破裂，使得電極材料與電極液接觸發生反應，減少電極材料的活性容量，增加電解液的副反應產物。另一方面，由于充電的過程中電池溫度會提高，溫度上升會造成電極材料和電解液分解，釋放熱量，從而導致發生“熱失控”的情況引發電池爆炸或著火現象。

2.2 放電到某個閾值以下會永久性降低電池容量

新能源汽車最重要部分就是電池，電池的容量決定電動汽車的續航里程，對于電池管理系統來說，在進行充放電時，電池系統有一個安全使用的電池放電的電壓閾值范圍。如果當電池電壓達到設定的電壓閾值以下時，還要繼續放電，就會出現電池過放現象。電池在使用過程當中，以較大電流過大造成過度放電使得大量熱量放出，這會導致電池內部壓力升高，嚴重破壞電極活性物質的可逆性，造成電池內阻逐漸增加，從而加速電池的衰退，大大降低電池的充電接受能力，導致電池性能降低和損壞，電池的容量明顯衰減。

2.3 均衡的一致性效果不理想，降低輸出功率，動力性能降低

電池系統均衡的一致性是指將電池系統內的所有電池單體的綜合性能趨于一致。隨著電池系統的使用，電池單體之間性能會產生越來越大的差異。影響電池均衡性一致的因素包括電池單體自身因素和使用環境因素，電池單體材料和生產工藝不同會導致電池單體在性能方面存在微小差別，使用環境包括溫度、壓力等因素變化也會造成電池存在一致性差異。電池管理系統作為新能源汽車的關鍵核心部件，電池系統中電池單體之間的一致性問題，對于電池系統使用壽命、整車安全性等方面都顯得尤為重要[3]。在實際應用中，因電池單體之間綜合性能的差異性，如果電池系統中的某一電池單體失效，將會形成“多諾米效應”，致使整個電池系統整體失效，嚴重影響電池組的安全和使用壽命，并嚴重影響整車的正常使用。

2.4 電池單體對環境溫度敏感性較差，導致整體電池管理系統散熱性較差

環境溫度對電池管理系統的綜合性能和使用壽命影響較大。在低溫情況下，在低溫充電時，由于電極材料的特殊性可能會造成電池內部極化增大，電池無法充電；在低溫放電時，電池的性能也大幅衰減。在高溫情況下，則由于電池內部不可逆副反應的大量增加，導致電池容量的快速衰減使得電池組迅速失去工作能力，甚至可能由于電池內部熱量無法散去。

3 當前新能源汽車電池管理系統的優化設計

3.1 通過設置隔離式被動均衡裝置，實現整體電池管理系統的散熱

新能源汽車是以電池模組作為汽車動力的來源，電池模組的狀態決定了汽車的運行狀態。電池模組通常是由多個串聯的電池單體組成，均衡電路是電池管理系統的一部分。均衡電路的目的是消除電池單體之間的差異性，以達到電池模組輸出容量的最大化。電池管理系統的均衡裝置主要用于在電池模組發生一致性惡化后，且已無法通過調整運行方式來進行一致性優化時對電池模組進行被動式均衡[4]，以提高電壓、容量的一致性和利用率。但是，目前，市面上的電池組均衡裝置在使用時，電池充電即會產生熱量，且電阻上的熱量會使得裝置內部發熱的問題更加嚴重，造成均衡效果不明顯。

鑒于此，為了實現整體電池管理系統的散熱效果，通過設置隔離式被動均衡裝置，將電池模組的電池單體設置體外對應電池單體的終止電壓裝置，每個終止電壓裝置由放電控制電路和電阻控制，每個終止電壓裝置通過人為連接方式與電池模組上的對應電池單體連接，構成若干個放電回路以對每個單體電池單獨進行放電。在電池管理系統工作過程中，當電池模組由于放電產生較多的熱量且超過電池單體終止電壓時，單體電池就會自動停止放電，避免了因電阻放電時產生大量的熱在電池模組內積蓄而對整個電池管理系統造成影響的問題，解決了電池放電產熱的問題，而且達到了電池管理系統整體均衡的一致性的目的。

3.2 通過添加格柵液冷板，實現整體電池管理系統的散熱

目前，電池管理系統的散熱通過采用軟包鋰電池的方式讓電池模組進行散熱，但其散熱效率較低且散熱周期長，另外，電池模組散熱的時候，只是簡單的依靠電池本身的散熱效率，將會大大的影響整個動力電池系統的散熱效果，同時導致動力電池系統整體上不能適應超寬溫域的使用需要。

為了改善整體電池管理系統的散熱功能，電池管理系統采用上層格柵液冷板和下層格柵液冷板，有效的將鋰離子電池系統中的電池模組的熱量進行散出[5]，有效地消除了現有技術中電池管理系統通過軟包電池自身散熱的缺陷，將電池管理系統中增加上層格柵液冷板和下層格柵液冷板，可快速的將電池模組的熱量帶出，尤其是能夠適合不同溫域的工作環境，從而讓電池管理系統適合超寬溫域。

4 結束語

在新時代背景下，基于能源結構安全和環境保護壓力，發展節能環保的新能源汽車已成為迫切需求。電池管理系統是新能源汽車的重要組成部分，其性能直接影響新能源汽車的性能。綜合本文的研究可知，從當前電池管理系統的現狀出發，根據具體問題具體分析，揭示了當前新能源電池管理系統存在的主要問題，通過分析問題原因研究有效策略，通過對電池管理系統進行優化設計，有效解決了現有電池管理系統自身散熱差的缺陷，有效地提高了均衡電路的可靠性，并且可以提高均衡電流，加快了單個電池均衡的時間。為全面實現新能源汽車的推廣成熟度和使用安全性具有重要的現實意義。