電動汽車電池管理系統(tǒng)應(yīng)用與分析

1、電動汽車電池管理系統(tǒng)應(yīng)用與分析 石琪研修班畢業(yè)論文電動汽車電池管理系統(tǒng)應(yīng)用與分析授課老師： 鄧亞東專 業(yè)：車輛工程姓 名： 石琪完成日期：2017年6月15日摘要 隨著社會的發(fā)展以及能源、環(huán)保等問題的日益突出，純電動汽車以其零排放，噪聲等優(yōu)點越來越受到世界各國的重視，被稱作綠色環(huán)保車。作為發(fā)展電動車的關(guān)鍵技術(shù)之一的電池管理系統(tǒng)（），是電動車產(chǎn)業(yè)純的關(guān)鍵。，以鋰電池為動力的電動自行車、混合動力汽車、電動汽車、燃料電池汽車等受到了市場越來越多的關(guān)注。我國對電動車的發(fā)展極為重視，早在1992年就把電動車的開發(fā)發(fā)展列入國家的“八五”重點科技攻關(guān)項目，對電池管理系統(tǒng)以及充電機系統(tǒng)進行了長期深入的研究開發(fā)

2、，在BMS方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近，研制產(chǎn)品在純電動和混合動力電動車上得到大量使用。但電池管理技術(shù)還并不成熟，電動汽車的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，對動力蓄電池管理系統(tǒng)將具有巨大的市場需求，同時技術(shù)上也將提出更高的要求。關(guān)鍵詞：BMS 純電動汽車  動力電池 鋰電池 can通訊 單片機Abstractwith the oil price, the energy shortage, the increasingly serious urban environment pollution, an alternative to oil development of new energy

3、use more and more attention by governments. In the new energy system, battery systems is one of the indispensable important component. In recent years, with the lithium battery powered electric bicycle, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell automobile, by the market more and more attention. The

4、development of electric vehicle in China, a great importance in early 1992, the development of the electric car in national development of "five-year" key torch-plan projects of battery management system, and charging machine system for the long-term in-depth research development, in BMS g

5、ained great breakthrough, and foreign level also approaches, the research products in pure electric and hybrid electric vehicle got a lot of use. But battery management technology is still not mature, electric vehicles and the development of industrialization of motive battery management system, wit

6、h the huge market demand, but technology will also put forward higher request. Keywords: BMS pure electric vehicle power battery lithium batteries can communication microcontroller目錄第一章緒論51.1前言51.2池管理系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在問題5第二章電池管理系統(tǒng)組成72.1電池管理系統(tǒng)72.2電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能7第三章電池管理系統(tǒng)的原理93.1管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的原理93.2充電管理93.3電池管理系統(tǒng)管理

7、策略123.4 SOC電量檢測12結(jié)論14參考文獻15第一章 緒論1.1前言隨著能源緊缺、石油漲價、城市環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，替代石油的新能源的開發(fā)利用越來越被各國政府所重視。所以說隨著各國対新能源汽車的推廣，電動汽車會被越來越多的關(guān)注，電池系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件，由于電動汽車的顯著特點和優(yōu)勢，各國都在發(fā)展電動汽車。根據(jù)汽車的使用特點，其實用的動力電池一般應(yīng)具有比能量高、比功率大、自放電少、工作溫度范圍寬、能快速充電、使用壽命長和安全可靠等特點，因此，電池管理系統(tǒng)對電動汽車的性能起到了決定性的作用。1.2電池管理系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在問題近年來，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界第四大汽

8、車生產(chǎn)國和第三大汽車消費國。但是我國的石油資源短缺，目前石油進口量以每年兩位數(shù)字的百分比增長，預(yù)計到2010 年進口依存度將接近50%。因此大力發(fā)展新能源汽車，用電代油是保證我國能源安全的戰(zhàn)略措施。因此大力發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)我國能源安全、環(huán)境保護以及中國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的需要。 車用動力蓄電池是電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。電動汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動汽車中一個越來越重要的關(guān)鍵部分，近年來已經(jīng)有了很大提高，但在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC 的估計精度、均衡技術(shù)和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。所以，大部分企業(yè)在電動汽車研制中曾遭遇尷尬，車用動力電池不僅是制約電動汽車規(guī)模發(fā)展的

9、技術(shù)瓶頸，而且是電動汽車價格居高不下的關(guān)鍵因素，其成本占整車成本的30%50%。因此，動力BMS 的性能對電動汽車使用成本、節(jié)能和安全性至關(guān)重要。我國在這方面的研究還剛剛起步,即使美國等汽車工業(yè)發(fā)達國家的研制工作也不完善我國在“十五”期間設(shè)立電動汽車重大研究項目，積極推進BMS研究、開發(fā)和工程化應(yīng)用，取得了一系列的成果和突破。在電動汽車領(lǐng)域，我國與發(fā)達國家的科技水平差距不是很大，決定電動汽車產(chǎn)業(yè)成熟度的關(guān)鍵因素是動力電池技術(shù)，目前中國企業(yè)在電池技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)成為世界最大的車用動力電池供應(yīng)國。目前主要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢，聯(lián)合一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商共同進行了如下研究：

10、電池動態(tài)參數(shù)采集的穩(wěn)定性和精度的提高；車載電池SOC的估測；電池模型的研究；電池組均衡控制的研究；BMS與充電機進行CAN通訊，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電；車載電池組箱體空間和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理的散熱控制；電池故障分析與在線報警、BMS自檢及處理。 在國外，比較典型的BMS如：現(xiàn)在正在開展基于智能電池模塊(SBM)的BMS研究,即在1個電池模塊中裝入1個微控制器并集成相關(guān)電路,然后封裝為一個整體,多個智能電池模塊再與1個主控制模塊相連,加以其它輔助設(shè)備,就構(gòu)成1個基于智能電池的管理系統(tǒng)；EV1BMS 的功能和特點包括：單電池的電壓監(jiān)測；分流采集電池組的電流；過放電報警系統(tǒng)；高壓斷電保護；電量里程預(yù)

11、算等；BatOpt系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)， 包括中心控制單元（MCU）和監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊通過two wire 總線，向MCU 傳輸每個電池工作信息，MCU 在收集信息后，對電池進行優(yōu)化控制；BATTNIAN BMS 強調(diào)不同型號動力電池組管理的通用性，其最大特點是：通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的方法，來管理不同型號的電池組。目前進行電動汽車研發(fā)的主要企業(yè)有一汽、上海大眾、東風(fēng)汽車、長安汽車、奇瑞 汽車、吉利汽車、比亞迪汽車、上海華普、上海通用等企業(yè)。然而,除奇瑞和比亞迪外,其他企業(yè)在電池管理領(lǐng)域沒有或僅有很少的專利申請。究其原因,一方面,一些電動車研發(fā)企業(yè)還沒有將研發(fā)重心放到電池管

12、理系統(tǒng)上；另一方面,國內(nèi)企業(yè)在知識產(chǎn)權(quán)保護上意識不足,還沒有自己的專利技術(shù)。目前,我國一些企業(yè)已經(jīng)就電池管理系統(tǒng)技術(shù)申請了專利。在電池管理領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗徘傲坏膰鴥?nèi)企業(yè)有:比亞迪、奇瑞汽車、深圳市比克電池有限公司、中興、天津力神電池股份有限公司和華為。第二章 電池管理系統(tǒng)組成2.1電池管理系統(tǒng) 管理系統(tǒng)（BMS）主要有以下幾部分組成：數(shù)據(jù)采集單元（采集模塊）、中央處理單元（主控模塊）、顯示單元、均衡單元檢測部件（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測）、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成，大部分將

13、均衡模塊與檢測模塊設(shè)計在一起，顯示單元由顯示板、液晶屏、鍵盤及上位機組成。一般采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)相互間的信息通訊。BMS的主要工作原理可簡單歸納為：首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，再由電子控制單元進行數(shù)據(jù)處理和分析，再根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，向外界傳遞信息。BMS電池管理結(jié)構(gòu)2.2電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能池管理就是對電池組和電池單元運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控，精確測量電池的剩余容量，同時對電池進行充放電保護，并使電池工作在最往狀態(tài)。一般褥言電動汽車電池管理系統(tǒng)簧實現(xiàn)以下幾個功能： 3.2.1準(zhǔn)確估測動力電池放電狀態(tài)(State of Charge），隨時預(yù)測電動汽車儲

14、能電池還剩余多少能量或儲能電池的荷電狀態(tài)，使電池的SOC值工作范圍控制在30-70。動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)：實時采集電動汽車蓄電池組中每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流以及電池包總電壓。防止電池組中的每塊電池在使用中的性能和狀態(tài)不一致，因而對每塊電池的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)都要進行監(jiān)測。當(dāng)蓄電池電量或能量過低需要充電時，及時報警，以防止電池過放電而損害電池使的用壽愈。當(dāng)電池組的溫度過高，及時報警，保證蓄電池正常工作。建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。 3.2.2 電動汽車動力電池組的熱平衡管理：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是電池

15、管理系統(tǒng)的有冷卻部分，其功能是通過風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝使電池處于正常工作溫度范圍內(nèi)。電池?zé)峁芾淼闹攸c是通過分析傳感器顯示的溫度和熱源的關(guān)系，確定電池組外殼及電池模塊的合理擺放位置，使電池箱具有有效地?zé)崞胶馀c迅速教熱功能，通過溫度傳感器測量溫度幫箱體電池溫度，確定電池箱體的阻尼通風(fēng)孔開閉大小，以盡可能的降低功耗。 目前，在電動汽車上實現(xiàn)電池管理的難點和關(guān)鍵在于：(1)如何根據(jù)采集韻每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，建立確定每塊電池剩余能量較精確豹數(shù)學(xué)模型，即準(zhǔn)確估測電動汽車蓄電港的SOC狀態(tài)。 3.2.3 FE動汽車儲能電池的快速充電技術(shù)及均衡充電技術(shù)。這項技術(shù)是目前世界正在致

16、力研究與開發(fā)的另一項電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。除了計算電池SOC，電池管理系統(tǒng)的另一個重要作用就是實時監(jiān)控電池組的各項參數(shù)，將電池報警信息實時反映給駕駛員。 第三章 電池管理系統(tǒng)的原理3.1管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的原理電池單體檢測模塊完成對電池單體的電壓和現(xiàn)場溫度采集，然后通過RS-485總線傳輸?shù)诫姵亟M綜合管理器中；綜合管理器能夠采集電池組的電壓、電流和環(huán)境溫度，并針對電池組剩余電量SOC預(yù)測算法完成軟硬件實現(xiàn)。此外。電池組綜合管理器還帶有RS一485通訊接口和CAN通訊接口前者完成對電池單體檢測模塊的數(shù)據(jù)交換。后者完成對整車綜合控制器的數(shù)據(jù)交換，并且其自帶液晶顯示單元和鍵盤單元，可以實時顯示電池單體

17、電壓和電池組的狀態(tài)信息。利用放大電路中的正反饋和負(fù)反饋，這里的電池組單體電壓采集是通過一種壓控恒流源電路加以實現(xiàn)的。壓控恒流源電路根據(jù)輸入信號可分解為差模信號和共模信號的原理。如果利用差動放大電路來采集單體電池電壓盡管不同節(jié)點上電池的參考點不同，但由于差動放大電路對共模信號的抑制作用。處于低電位節(jié)點處的電壓就被抑制。而差動放大電路僅對單體電池電壓進行放大使得相鄰電池節(jié)點處的電池都具有一個共同的參考點，所以可以實現(xiàn)對長串電池組單體電壓的測量。在該電路中。就是利用上述原理把被檢測的電壓差(即單體電池端電壓)轉(zhuǎn)換成電流的形式長距離傳輸而不受外界干擾且傳輸精度高，適合不同電壓級別的微機接口電路以便數(shù)據(jù)

18、采集和轉(zhuǎn)換，為實際使用帶來了方便和靈活性。3.2充電管理充電管理就要利用合適的方法充電，適時監(jiān)測電池的狀態(tài)以確保電池安全充電和良好的效率。以下是幾種比較安全有效的充電方式。恒壓充電：加恒定電壓于電池兩端，充電的電流是I=（V-E）/R，V是指外部電源供給電池的充電電壓，E是指電池的電動勢，R是指它的內(nèi)部電阻。在剛開始給電池充電的時候電動勢是很低的，而電池的電流會很大，電動勢隨著充電的繼續(xù)進行會升高，于是充電電流會減小，最后充電就停止了。因為在充電的后期充電的電流變小，控制電池的過充電會變得很簡單。該充電法把電流與電動勢相關(guān)到了起來，但是電池的電動勢是電池里面的物理和化學(xué)變化的反映，所以該方法用

19、來充電是非常好的，于電池恒流充電來說會有更多的優(yōu)點。由于恒壓充電也存在一些缺點，首先在最開始充電的時候電流會很大，但是到了充電的末期會隨著電池電動勢升高電池的電流變得很小，不容易完全將充電設(shè)備利用起來，充電電壓的很小一個變化會導(dǎo)致電流非常大的變動。電化學(xué)過程與電池的電流之間由電動勢變動所反映的絕非僅有線性關(guān)系，所以只根據(jù)線性關(guān)系來研究并不太合適。恒流充電：該充電法調(diào)整外部充電機的電壓，調(diào)節(jié)串聯(lián)電池的電壓，為的是使充電過程中的電流不在出現(xiàn)變化。恒流充電法控制起來很簡單，因為電池的接受能力會因為充電過程的繼續(xù)會慢慢減小的，等到了充電快要結(jié)束的時候，充電電流的主要用處變成了電解水，會出現(xiàn)很多氣泡，影

20、響電池使用狀態(tài)和壽命，所以一般選階段充電的方法。恒壓恒流充電：為防止恒壓充電開始時的電流太大，導(dǎo)致溫度增加的太大會給電池帶來嚴(yán)重的傷害，充電過程中一般將電流控制在在一范圍內(nèi)，這就是恒電壓恒電流流的充電方式。橫流階段是把限流值為恒值的充電方式，因此也稱作恒壓限流充電，如圖所示。涓流充電：為給蓄電池組在放電過程結(jié)束后給它內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)一個恢復(fù)過程，這個時候需要以某種中程度上相對來說較小的電流來給電池充電，在它的端電壓增達到某一數(shù)值后，然后用恒壓恒流充電方法采用大電流來給電池充電，即為涓流充電。涓流充電的時候能使電流恒定而且數(shù)值比較小，隨著電池狀態(tài)恢復(fù)，整流器的電壓會隨著電池狀態(tài)而升高，因此涓流充電

21、實際上是跟恒流充電非常相似的充電方法。3.3電池管理系統(tǒng)管理策略1） SOC策略是電池管理系統(tǒng)的核心策略，SOC的估算為整車控制策略提供支持，是 整車判斷電池的是否可以充電或放電的依據(jù)。純電動汽車上，多采用AH計量加拐點修正的方法對SOC進行估算，這需要電池管理系統(tǒng)電流采樣功能有很高的精度，同時還需要有很準(zhǔn)確的SOC一OCV曲線，才能能保證SOC估算的準(zhǔn)確;而混合動力汽車電池一般處于淺充淺放的狀態(tài)，多采用卡爾曼濾波等對SOC初值要求不高的算法，保證SOC估算誤差在一定范圍內(nèi)。2）充放電管理是電池管理系統(tǒng)參與整車進行能量管理，很好的充放電管理策略能 在保證電池安全使用的條件下為整車提供最大的能量

22、限值。在純電動汽車上，合理的充電管理能加快電池的能量補給;混合動力汽車，充放電管理能確保整車能量的最優(yōu)利用?，F(xiàn)階段分區(qū)間、多條件的功率控制基本能滿足整車能量控制需求。3）對于電池組有多種均衡方法，但受成本、均衡器大小、均衡控制等的影響，實 現(xiàn)實時在線均衡難度較大。采用小電阻在線均衡的辦法，解決了溫升過高，控制難度大的問題，在有效處理電池內(nèi)阻和極化電壓影響的情況下，能對電池起著一定的均衡作用。4）電池組熱管理為電池的運行提供良好的運行環(huán)境。根據(jù)不同電池的溫度特性， 通過電池管理系統(tǒng)可靠的溫度測量和對冷卻風(fēng)機或加熱電阻的控制，使電池組溫度處在其最優(yōu)狀態(tài)。熱管理策略為電池溫度測量功能、溫度點的選擇、

23、電池箱體及軟件策略等的設(shè)計提出了要求。5）準(zhǔn)確的故障判斷能及時發(fā)現(xiàn)電池運行中不安全的情況，保證電池運行的安全。 可行的故障處理策略是實現(xiàn)這一要求的保證，也為電池管理系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計提出了設(shè)計要求。故障報警一般根據(jù)電池管理平臺和電池狀態(tài)提出，可分為電池管理系統(tǒng)平臺自身的故障和電池運行狀態(tài)的故障。電池管理系統(tǒng)平臺自身的故障主要根據(jù)其功能來進行劃分，這主要為電池管理系統(tǒng)平臺自身故障診斷而設(shè)置。3.4 SOC電量檢測在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC計算方法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法3。 (1)開路電壓法是最簡單的測量方法，主要根據(jù)電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工

24、作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。 (2)庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流，將電流值與時間值的乘積進行積分后計算得到電池充進的電量和放出的電量，并以此來估計SOC的值。 (3)阻抗測量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系，通過測出電池的電壓、電流參數(shù)計算出電池的內(nèi)阻，從而得到SOC的估計值。 (4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過設(shè)置一個相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。 綜合幾種方法，采用庫倫計算法比較合適。 (1)用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時放出

25、的總的電量。 (2)用表示電流i經(jīng)過時間t后，放出的電量與C的比值。 其中CRM為剩余電量。令Ci=i×t，表示t時間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實際上是對Ci的計算以及累加。設(shè)定合適的采樣時間t，測定當(dāng)前的電流值，然后計算乘積，得到t時間內(nèi)剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實現(xiàn)SOC電量的檢測。結(jié)論電池是電動汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動力電池難在 “低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三個要求上。要想在較大范圍內(nèi)應(yīng)用電動汽車，要依靠先進的蓄電池經(jīng)過10多年的篩選，現(xiàn)在普遍看好的氫鎳電池，鐵電池，鋰離子和鋰聚合物電池。氫鎳電池單位重量儲存能量比鉛酸電池多一倍，其它性能也都優(yōu)于鉛酸電池。但目前價格為鉛酸電池的4-5倍，正在大力攻關(guān)讓它降下來。鐵電池采用的是資源豐富、價格低廉的鐵元素材料，成本得到大幅度降低，也有廠家采用。鋰是最輕、化學(xué)特性十分活潑的金屬，鋰離子電池單位重量儲能為鉛酸電池的3倍，鋰聚合物電池為4倍，而且鋰資源較豐富，價格也不很貴，是很有希望的電池。中國在鎳氫電池和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面均取得了快速的發(fā)展。電動汽車其他有關(guān)的技術(shù)，近年都有巨大的進步，如：交流感應(yīng)電機及其控制，稀土永磁無刷電機及其控制，電池和整車能量管理系統(tǒng)，智能及快速充電技術(shù)，低阻力輪胎，輕量和低風(fēng)阻車身，制動能量回收