新能源汽車電池管理系統(tǒng)性能優(yōu)化

【摘" 要】文章簡(jiǎn)要介紹電池管理系統(tǒng)的電芯均衡技術(shù)，并結(jié)合電池管理器提出優(yōu)化電池管理系統(tǒng)精度的主要做法和措施等。

【關(guān)鍵詞】新能源汽車;電池管理系統(tǒng);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）06-0010-02

Performance Optimization of Battery Management System for New Energy Vehicles*

Baihetinuer

（Xinjiang Vocational and Technical College of Communications，Urumqi 831401，China）

【Abstract】The paper briefly introduces the cell equalization technology of battery management system，and puts forward the main methods and measures to optimize the precision of battery management system combined with electrical manager.

【Key words】new energy vehicles;battery management system;optimize

作者簡(jiǎn)介

百合提努爾（1972—），男，教授，研究方向?yàn)樾履茉雌囯姎馀c電子系統(tǒng)。

鋰離子電池因其高能量和功率密度、接近100%的庫(kù)侖效率（Coulomb Efficiency）、高循環(huán)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)和低內(nèi)部放電容量成為當(dāng)今新能源汽車儲(chǔ)能和電源的核心零件。然而，鋰離子電池由于其電池電化學(xué)特性（過(guò)充、過(guò)放電和過(guò)溫）限制，電池系統(tǒng)易發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的事故（例如燃燒、熔化、爆炸），因此需要電池管理系統(tǒng)BMS進(jìn)行優(yōu)化，確保鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池安全，延長(zhǎng)使用壽命，并通過(guò)控制充電和健康狀態(tài)來(lái)提高電池性能。

1" 電池管理系統(tǒng)BMS

電池管理系統(tǒng)BMS是在充電和放電過(guò)程中監(jiān)控和管理由一個(gè)或多節(jié)電芯組成電池包的系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值（電池包中的電流、電壓、溫度等）超過(guò)最佳值時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)工作。在電池包中，電芯串聯(lián)連接決定了電壓，并聯(lián)連接決定了可以消耗的電流和容量。總之，BMS能當(dāng)作電池系統(tǒng)中的保護(hù)器，是控制和監(jiān)測(cè)電池的電子系統(tǒng)，可以檢查電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并確保它們保持在最佳運(yùn)行值范圍內(nèi)。電池管理系統(tǒng)子組件由電量均衡、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)估算組成。

在制備電池包時(shí)，電池包、電池管理系統(tǒng)和外部數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需一起制備。此外，用BMS管理的電池包應(yīng)用所需值范圍內(nèi)運(yùn)行的充電器來(lái)充電。

電芯均衡是電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)，也是系統(tǒng)性能優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。因2組電芯達(dá)到峰值負(fù)載電平的時(shí)間不同，導(dǎo)致電池包中電芯會(huì)出現(xiàn)不均衡的狀態(tài)。為了避免這種不均衡，電池管理系統(tǒng)通過(guò)增加滿電電芯的電阻來(lái)啟動(dòng)電池均衡，以加速負(fù)載電平較低的電芯中的電流流動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電平接近95%并且所有用電設(shè)備都關(guān)閉（例如多媒體系統(tǒng)和空調(diào)關(guān)閉）時(shí)，就會(huì)觸發(fā)這種均衡。因此電芯均衡的目的是在充放電過(guò)程中將所有電芯保持在相同的電壓水平。電芯均衡過(guò)程有兩種類型，即被動(dòng)電芯均衡和主動(dòng)電芯均衡。常用的被動(dòng)電芯均衡方法有固定并聯(lián)電阻和可控并聯(lián)電阻兩種，而主動(dòng)電芯均衡方法有電容器、電感器和轉(zhuǎn)換器3種。

1.1" 被動(dòng)電芯均衡技術(shù)

被動(dòng)電芯均衡技術(shù)是當(dāng)電池組之間單體電池容量出現(xiàn)差別時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制性均衡的一種手段，通常把能量消耗型均衡定義為被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡運(yùn)用電阻器，將高電壓或者高荷電量電芯的能量消耗掉，以達(dá)到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量消耗型均衡。即無(wú)源均衡電路檢測(cè)出電芯的最低電壓電平Vmin和最高電壓電平Vmax，并通過(guò)并聯(lián)電阻耗散其他電芯的電壓電平，將電芯降低到基準(zhǔn)電壓點(diǎn)。

被動(dòng)電芯均衡的電路連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電池電壓變化對(duì)比如圖1所示。當(dāng)電芯的電壓水平高于其他電芯，需要充電均衡，通過(guò)負(fù)載電阻放電，并保持與系統(tǒng)中其他電芯相同的充電狀態(tài)。負(fù)載電阻上的熱量消耗的能量會(huì)降低系統(tǒng)效率，而這些負(fù)載電阻的冷卻需求會(huì)產(chǎn)生額外的成本和負(fù)擔(dān)。被動(dòng)電芯均衡技術(shù)是在軟硬件應(yīng)用方面最簡(jiǎn)單的一種電量均衡技術(shù)。被動(dòng)均衡系統(tǒng)算法流程如圖2所示。

1.2" 主動(dòng)電芯均衡技術(shù)

主動(dòng)均衡法為有源均衡電路通過(guò)在必要時(shí)傳輸電壓來(lái)平衡其計(jì)算的電芯的電壓電平。因此，被動(dòng)均衡中消耗的能量被轉(zhuǎn)移到主動(dòng)均衡中的其他電芯，從而實(shí)現(xiàn)更有效的均衡。主動(dòng)均衡中電芯電壓電平的變化與被動(dòng)均衡相似。

2" 優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的精度

BMS集成電路的關(guān)鍵功能之一是準(zhǔn)確測(cè)量每節(jié)電芯電壓，這直接影響車輛的續(xù)航里程以及電池的整體預(yù)期壽命。對(duì)于放電曲線平坦的電池類型（如磷酸鐵鋰電池），電池精度尤為重要。系統(tǒng)工程師需要檢查電池放電時(shí)電池電壓的微小變化。由于電池精度會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，因此獲得這些狀態(tài)對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算電池的充電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)SOH變得尤為重要。

對(duì)于新能源汽車制造商而言，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之初認(rèn)真選擇多節(jié)電芯均衡集成電路是成功實(shí)施BMS的先決條件，為此，必須了解不同集成電路供應(yīng)商在測(cè)量精度和穩(wěn)定性方面的差異。

2.1" 多節(jié)電芯均衡集成電路關(guān)鍵元件

每個(gè)多節(jié)電芯均衡集成電路的核心都是精密基準(zhǔn)電壓源。使用的參考拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能有所不同，但由于它們?cè)诰群涂臻g要求之間處于最佳狀態(tài)，因此往往主要使用禁帶寬度（Band Gap）。例如，多節(jié)鋰離子電池管理器ISL78600采用高精度禁帶寬度參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有良好的跟蹤記錄，且穩(wěn)定、成熟、表征良好，非常適合在要求苛刻的新能源汽車應(yīng)用中使用，在多年使用中得到了優(yōu)化，并以大量真實(shí)應(yīng)用的性能數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。由于其出色的性能特征，禁帶寬度基準(zhǔn)電壓源在多節(jié)電芯均衡集成電路的使用壽命內(nèi)非常穩(wěn)定和線性，這是設(shè)計(jì)人員在計(jì)算電池壽命時(shí)最重要的考慮因素之一，它直接影響新能源汽車制造商的保修和其他成本。

2.2" 注意事項(xiàng)

焊接過(guò)程對(duì)電路板施加壓力，使多節(jié)電芯均衡集成電路在X和Y平面中彎曲，導(dǎo)致硅特性的亞原子變化，會(huì)影響集成電路的性能，尤其是基準(zhǔn)電路模塊。眾所周知，基準(zhǔn)電壓源是測(cè)量電路的關(guān)鍵部分，其特性的任何變化都與ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的精度有關(guān)。因此，集成電路的設(shè)計(jì)人員需要把芯片中的敏感電路布置在受焊接和其他制造應(yīng)力影響較小的區(qū)域。

3" 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車電池管理系統(tǒng)優(yōu)化的一個(gè)重要因素是電池性能，這直接受到多節(jié)電芯均衡集成電路在車輛生命周期內(nèi)保持其精密測(cè)量精度能力的影響。電池檢查出現(xiàn)的任何漂移或不穩(wěn)定情況都會(huì)影響車輛的續(xù)航里程和電池壽命，進(jìn)而影響保修性能和其他成本。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)考慮其集成電路的選擇和布置，科學(xué)性地選擇對(duì)應(yīng)的電芯均衡集成電路方案，使其具有不同的精度測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)。對(duì)于BMS應(yīng)用方面，了解測(cè)量、檢查和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根本差異以及它們的相互關(guān)系，是選出最合適的集成電路的重要步驟，對(duì)各種新能源汽車優(yōu)化電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 瑞佩爾. 新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-01-28;修回日期：2024-04-23

*基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021D01A69）。