新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现 — 车载电池管理系统研究现状

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2.1电动汽车研究状况及车载电池管理系统的重要性
          在电动汽车族中首先发展起来的是纯电动汽车（EV），它的能源完全由车载的电池组提供，目前由于受电池成本高、续驶里程短、充电设施不足的限制，它完全走向市场化还有一定距离。混合电动车（HEV）是电动汽车研制中的后起之秀，它综合了传统汽车引擎驱动与电机驱动的两大优点，HEV的主要能源仍然是汽油、柴油燃料，电池组的能量主要用在汽车启动、爬坡行驶时为汽车提供辅助动力；在刹车时，电动机处于发电状态，能量回收到电池组中。传统汽车相当多的污染是在启动时由发动机产生的，因此HEV既解决了大部分的环境污染问题，又不受EV的行驶里程的限制，而且还降低了能耗，提高了汽车的效率和自动化程度。另一方面，HEV上配备的电池容量和重量都要比EV小得多，其电池成本大幅度降低，目前已小批量生产销售近20万辆。
       
        对电动汽车研究开展得比较早的研究机构、公司多集中在美、日、欧等发达国家。轿车车体的研发主要是集中在2～5座的轿车上；电池以前多采用铅酸电池，现在则用镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池；驱动电机既有直流电机，也有交流电机，电机连续功率多在15KW～50KW之间；快速充电方法及制动能量回收方法的研究也有很大的进展。
       
        目前国内多家汽车厂也已开展了电动汽车的研制和开发，“九五”期间，东风汽车公司联合多家单位成功研制出了一辆电动概念车。“十五”期间，国家已投入大量人力、物力进行对电动车的研制开发。本论文课题就是结合国家“863”混合电动汽车项目展开研究和试验工作的。
       
        针对纯电动汽车，电池管理系统不仅能够正确监测使用过程中消耗的电池能量，而且能够预测电池所剩余的电量即剩余电量，并根据汽车的当前行驶工况，预测汽车的续驶里程，这样可减轻驾驶员的心理负担，以避免半路抛锚。而对于混合电动汽车，电池管理系统不仅要监测电池的剩余电量SOC，还要预测电池的功率强度，以便监控电池的使用工况，在汽车启动和加速时提供足够的输出功率，刹车时电池组能回收更多的能量即提供足够的输入功率，并且不对电池组造成伤害。电池的剩余电量直接决定EV的最大续驶里程；而电池的功率强度则直接影响HEV的加速性能，对他们的状态估计是电动汽车发展的关键技术之一。
       
        电动车上的电池一般都是采用多个电池串联使用的，串联使用的电池的充放电和单体电池的充放电过程相比较要复杂的多，主要原因就是在电池组内电池的不一致性。电池的不一致性会严重影响电动汽车的性能，因此对单体电池进行均衡也十分重要。
       
        当电池出现过充或过放等异常情况时，电池的专家诊断系统给出报警信号并对充电机或用电设备给出控制信号，同时建立电池的历史档案，根据这些历史档案给出每个电池的健康状态即维护信息，起到电池保健医生的作用。
       
        总之，电池管理系统是一个处于监控运行及保护电池关键技术中的核心地位，能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等功能集合的综合系统。
       
        2.2国外电池管理系统研究状况
          随着近十年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，总结出电池的数学模型，并成功开发出许多电池管理系统装在车上试用。比较有代表性的有：德国Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOaCH系统；德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（Long——Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统；日本丰田的混合车用系统。
       
        电动汽车的蓬勃发展为相关的电池电子技术的发展提供了巨大的契机。电池电子技术就是针对电池这样一个复杂的电化学系统，依托于电力电子技术、单片机技术、智能控制与模糊逻辑和电化学科学等相关学科而兴起的新应用技术领域分支。电池电子技术的目标就是将电池应用推向一个更高的阶段，达到少维护、无人管理、高安全、智能化和无公害，最大限度的优化电池的使用和延长电池的寿命。
       
        2.2.1 BADICHEQ系统及BADICOaCH系
          BADICHEQ系统是在1991年开始设计的，并于1991年12月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于1992年4月达到如下功能：
           

       

•                 能同时对20个电池单元进行电压测量；        
  
•                 能进行电流和温度测量；        
  
•                 能根据电池单元对主充电机的充电电流进行控制；        
  
•                 能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电；        
  
•                 能储存历史数据和与PC机进行数据通信；        
  
•                 在仪表盘上显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量以及各种异常报警。
  

         
        BADICOaCH是BADICHEQ系统的改进，它有以下特点：
           

       

•                 它的一个最重要的特点是在每个电池单元上加一个非线性电路（WLC）来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给BADICOaCH系统，并在那里解码；        
  
•                 装有两条PWM信号输出线来控制充电电流和电压的大小；        
  
•                 最差电池单元的剩余电量被显示出来；给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号；        
  
•                 对最近24个充放电周期的详细数据进行存贮并允许在对电池好坏作判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情况；        
  
•                 与PC机数据传送采用RS232标准。
  

       
        2.2.2 BATTMAN系统
          BATTMAN电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。之所以要这样作，是根据对不同型号的电池组的管理可分为共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：
           

       

•                 决定电池能存贮的电流能量；        
  
•                 决定最弱电池单元的剩余电量；        
  
•                 能影响电池的运行和数据的记录；        
  
•                 温度的测量。
  

         
        2.2.3 EV1的电池管理系统
          通用汽车公司推出的EV1电动汽车由26个铅酸蓄电池供电，放电深度80％，电池寿命是450个深放电周期，113公里市内行驶里程（美国环保局指标，USA EPA Schedule），145公里高速公路行驶里程（美国环保局指标，USA EPA Schedule）。
       
        EV1的电池管理系统概念定义包括四个组成部分：
           

       

•                 电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）        
  
•                 软件BPM（Battery Pack Module）        
  
•                 电池组热系统电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect）
  

         
        可见，EV1的电池管理系统的核心是BPM.BPM有以下功能：
           

       

•                 单电池电压监测        
  
•                 电池组电流分流采样电池组高压保护（保险丝）        
  
•                 六个热敏电阻进行温度采样        
  
•                 以电池组的平均特性控制充电        
  
•                 过放电报警并降低电动汽车行驶性能        
  
•                 电量或里程计算高压回流继电器（High Voltage Bus Relays）
  

         
        总的说来，EV1的电池管理系统与一般意义上的电池管理系统有区别，它把系统侧重点放在了电池组的可靠性（Safety Features）上。EV1电池管理系统的可靠性措施有：
           

       

•                 电池组高压断电保护装置        
  
•                 手动断电开关        
  
•                 地线绝缘失效检测        
  
•                 自动开关与手动开关连锁
  

           
          2.2.4 SmartGuard系统
          这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置（用了专用IC）来测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。
       
        SmartGuard的主要功能有：
           

       

•                 过充检测并防止过充；        
  
•                 提供放电极性反向报警；        
  
•                 电池历史记录和归档；        
  
•                 提供最差电池单元的剩余电量信息。
  

         
        2.2.5 BatOpt系统
          该系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过two_wire总线，监控模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有如下特点：
           

       

•                 每个模块提供5安培的均充电流；        
  
•                 模块有温度监控        
  
•                 two_wire总线接口。
  

           
          2.3国内电池管理系统研究
          目前，国内电池管理系统也有近10家在开展研究工作，有的单位已开发出管理系统，但是由于车载电池的区别和实验条件不具备，车用电池管理系统的研制中还有许多关键技术没有解决好，技术不够成熟，具有很大的发展空间。
       
        一些研究机构研制的电池管理系统主要是针对电池组静态进行的充放电试验，动态问题考虑少。在混合电动车上，电池的使用情况更加复杂，大容量电机带来的干扰问题也更加严重、突出。这些对电池管理系统的可靠性、适应性、安全性，都提出了更高的要求。
       
        本课题组以前研制出了针对镍氢电池的BMS-Ⅰ、BMS-Ⅱ系统。在此基础上，考虑锂电池大客车的要求并综合国外的先进成果，对管理系统的设计思想及结构，特别是硬件做了很大改进，完成了新的锂电池管理系统。这套管理系统与以前的系统相比，有了很大的进步，功能更加先进和完善，设计思路也更趋于合理。
       
        如采用移位电路测量单电池电压、多CAN总线通讯及数据传输、单总线测量温度，新的SOC估计算法，引入均衡模块和模糊诊断专家系统等；系统结构也实现了分布式、模块化。人机交互界面上也做到了人性化，进一步提高了实用性。