新能源電池管理系統(tǒng)研究現狀與趨勢

1、新能源電池管理系統(tǒng)研究現狀新能源電池管理系統(tǒng)研究現狀與趨勢與趨勢 闞宏林闞宏林 安徽工程大學安徽工程大學2015.06.202015.06.201、電動汽車分類及發(fā)展狀況2、電動汽車關鍵技術3、電池管理（BMS）電動汽車分類及發(fā)展狀況1、分類按動力源分為三類純電動汽車 （PEV，Pure Electric Vehicle）混合動力汽車（HEV，Hybrid Electric Vehicle）燃料電池動力汽車（FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle按速度分為低速、高速按用途分：普通家用轎車、觀光車、廠區(qū)車、特種車輛、公交電動車等。混合動力汽車：1、動力來源、動力來源：混合

2、電動汽車的動力來源于 2 種或 2 種以上的能源，如蓄電池和汽油發(fā) 動機或柴油發(fā)動機，這些能源可分別用作 汽車的動力來源，也可相互協(xié)作或以主輔 關系來驅動汽車；2、發(fā)展趨勢、發(fā)展趨勢：外接充電式 （Plug- In） 的 混合動力汽車 （PHEV）3、地位：、地位：混合動力汽車仍將是過渡產品燃料電池動力汽車：1、動力來源：、動力來源：來自燃料電池。燃料電池：是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等優(yōu)勢：燃料電池汽車在發(fā)展大型固定路線交通工具上占有優(yōu)勢純電動汽車：純電動汽車是國際公認的新能源汽車

3、的最佳解決方案我國純電動汽車發(fā)展可分為 2 個階段即示范應用期和推廣成熟期。區(qū)分 2 個階段的主要標志應是純電動汽車發(fā)展由政府推動過渡為市場推動。本人觀點：低速電動汽車應該很有前景從技術和實用性都很好，只是政策問題。2、電動汽車關鍵技術電機驅動控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的內燃機能把高效產生轉矩時的轉速限制在一個窄的范圍內，這是為何傳統(tǒng)內燃機汽車需要龐大而復雜的變速機構的原因；而電動機可以在相當寬廣的速度范圍內高效產生轉矩，在純電動車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。與混合動力汽車相比，純電動車使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內部機械傳動系統(tǒng)，結構更簡化，也降低了機械部件摩擦導致的能量

4、損耗及噪音，節(jié)省了汽車內部空間、重量。電機驅動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行結構，驅動電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件（電池、電機、電控）之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車中的燃料電池汽車 FCV、混合動力汽車 HEV 和純電動汽車 EV三大類都要用電動機來驅動車輪行駛，選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效率高。電機動力電池動力電池是電動汽車的關鍵技術，決定了它的續(xù)行里程和成本。用于電動車的動力電池應有的功能指標和經濟指標包括：（1）安全性

5、；（2）比能量；（3）比功率；（4）壽命；（5）循環(huán)價格；（6）能量轉換效率。這些因素直接決定了電動車的實用性、經濟性。超級電容器的優(yōu)勢是質量比功率高、循環(huán)壽命長，弱點是質量比能量低、購置價格貴，但是循環(huán)壽命長達 50 萬 100 萬次，故單次循環(huán)價格不高，與鉛酸電池、能量型鋰離子電池并聯可以組成性能優(yōu)良的動力電源系統(tǒng)。鉛酸電池生產技術成熟，安全性好，價格低廉，廢電池易回收再生。近些年來，通過新技術，其比能量低、循環(huán)壽命短、充電時發(fā)生酸霧、生產中可能有鉛污染環(huán)境等缺點在不斷克服中，各項指標有很大提高，不僅可更好地用作電動自行車和電動摩托車的電源，而且在電動汽車上也能發(fā)揮很好的作用。超級電容鉛酸

6、電池以磷酸鐵鋰為正極的鋰離子電池負極為碳、正極為磷酸鐵鋰的鋰電池綜合性能好：安全性較高，不用昂貴的原料，不含有害元素，循環(huán)壽命長達 2000 次，并已克服了電導率低的缺點。能量型電池的質量比能量可達 120Wh/kg，與超級電容器并聯使用，可以組成性能全面的動力電源。功率型的質量比能量也有70 80Wh/kg，可以單獨使用而不必并聯超級電容器。磷酸鐵鋰以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池鈦酸鋰在充電 - 放電中體積變化極小，保證了電機機構穩(wěn)定和電池的長壽命；鈦酸鋰電極點位較高（相對于 Li /Li 電極為 1.5V），在電池充電時可以不生成鋰晶枝，保證了電池的高安全性。但也因鈦酸鋰電極電位較高，即使與電

7、極電位較高的錳酸鋰正極配對，電池的電壓也僅約2.2V，所以電池的比能量只有約 50 60Wh/kg。即使如此，這種電池高安全性，長壽命的突出優(yōu)點，也是其他電池無可比擬的。太酸鋰電池電動汽車配套設施的建設以及對電網的影響1、充電樁2、家用充電機3、充電過程對電網影響電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)(BMS) BMS 電池管理系統(tǒng)通過檢測電池的電壓、充放電電流和電池組溫度來估測電池的剩余電量（SOC），控制電池充放電均衡，并對電池組進行熱管理和車載監(jiān)控系統(tǒng)、充電機進行CAN通訊，實現協(xié)調控制和優(yōu)化充電，保障電池安全和延長電池壽命。在BMS眾多功能中，以SOC估計、均衡控制和熱管理最為核心。鋰電池

8、組成：1、集流體：電池集流體既是與外電路的連接部分，也是正極材料載體，它本身是 金屬，電特性滿足歐姆定律，可等效為一定阻值純電阻2、正負極材料：正負極材料是參與電化學反應的物質，決定電池的電壓、容量 能量密度等特性。3、電解液：重要組成部分，承擔著在電池內部的正負極之間傳輸離子的作用， 他對電池的容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性等都有重要的 影響。鋰電池電解液采用具有比水更高分解電壓的溶劑。一般為有 機溶劑和電解質鹽4、隔膜：主要作用是將電池的正負極隔開，使得電子不能通過電池的內部電路 但不會阻礙離子在其中通過。隔膜本身對電子和離子是絕緣的， 會降低正負極之間離子電導，表現為一種電阻。當電

9、池內部出現過 熱等情況，隔膜能自動閉孔，將電池的正負極斷開，起到保護作用。5、SEI膜：鋰離子電池在首次充電過程中不可避免地都要在碳負極與電解液的相 界面上發(fā)生反應，形成覆蓋在碳電極表面的鈍化薄層，稱為SEI膜。 這種膜的作用表現為，消耗了電池內的鋰離子，增加電阻，但此膜具 有有機溶劑不溶性，允許鋰離子比較自由進出電極而溶劑分子無法穿越 提高電極循環(huán)壽命。6、相際：鋰電池主要參數：1、電壓2、容量3、荷電狀態(tài)（SOC）4、OCV-SOC曲線電池內壓（OCV）和它的荷電狀態(tài)（SOC）具有一定對應關系，稱之為OCV-SOC曲線，對它的了解有助于SOC估算。影響鋰電池性能主要因素：溫度高可以提高電池

10、活性，但會降低其壽命。相關研究結論：電壓影響研究結論:電流影響相關結論：結論結論：希望鋰電池安全、高效、長壽命工作就必須對鋰電池使用過程進行管理，也就是對鋰電池使用過程中的電壓、電流、溫度進行監(jiān)控。這就是為什么需要BMS的原因1、數據采集 2、SOC的估算3、電氣控制 4、安全管理和控制 5、熱管理6、數據通信 BMS主要功能BMS主要功能：1、SOC：表征電池剩余電量，SOC是判斷電池過充以及過放等一系列故障的 基礎，他的確定是BMS的重點，同時由于SOC在電池使用過程中表 現為高度非線性，準確估計SOC具有很大難度。2、SOC估算方法：傳統(tǒng)方式：a、開路電壓b、內阻法 c、安時法d、放電實

11、驗法新算法：a、模糊邏輯算法b、自適應神經模糊推斷模型 c、線性模型算法d、卡爾曼濾波估計模型傳統(tǒng)方法比較資料顯示各種智能卡爾曼濾波算法是當前SOC主流算法對汽車BMS的SOC算法要求：1、必須實時在線估算2、不能存在累計誤差3、在初始估計值存在誤差的情況下， 能夠收斂到真實值附近任何一種單獨算法，都不能解決以上問題，需要多種方法綜合運用才能取得比較好的結果電流、電壓數據采集：BMS的SOC精度除了與其本身算法有關，還與其基礎數據單體電池電壓、回路電流精度有關。電壓采樣方法：1、電阻分壓采樣2、繼電器切換檢測方案3、集成芯片方式市場上類似的芯片還有很多種電流采樣：由于電動汽車運行狀態(tài)不同，電池

12、組放電電流跨度比較大，為了提高電流采樣精度，一般采用多量程采用電路。溫度采樣：常用熱敏電阻（NTC）方式采樣，NTC響應速度快，時滯小， 測量范圍 ,測量精度1度，只需進行A/D采集即可。傳感器DS18B20一般來說，需要設置多個溫度探頭，才能檢測到電池包里真實溫度電池組均衡：由于單體電池個性不一致性，為了解決電池組的“木桶效應”問題，需要對單體電池進行均衡均衡方式：被動式均衡方式主動式均衡方式，電容或電阻飛度，控制電路復雜、長時間使用電容值會發(fā)生變化。目前已經有這種產品問世體積比較大分散式隔離型分布式均衡拓撲這種電路特點是：每個均衡電路都是一個帶隔離變壓器的buck-boost電路。優(yōu)點是均

13、衡效率高、開關器件上所承受的電壓高低與串聯級數多少無關，這種均衡結構比較適應于串聯電池組數量較大的場合；其主要缺點是電路中有較多磁性元件，體積大，容易互感，變壓器存在漏感，且難于將線圈保持完全一致。儲能電站均衡方案該電路的優(yōu)點是每一個開關可以同時是一個電池的放電回路和另一個電池的充電回路。只使用一個儲能電感，體積小，成本低。均衡目標：一般分為三種：外電壓、最大可用容量、實時SOC以外電壓為均衡目標的控制策略是在充放電過程中實時測量電池單體外電壓，對組內電壓高的電池進行放電，電壓低的電池進行充電，由此調整電池組電壓趨于一致。這是目前應用最廣泛的均衡法，其控制方式容易實現，對算法要求不高，缺點是用

14、單一電壓均衡，均衡精度和效率難以保證，尤其對于并聯電池單體，無法應用該策略均衡。其他兩種均衡目標實現起來比較困難，目前使用較少。絕緣檢測電動汽車電壓高達300V，大巴車達到600V，由于車子本身使用狀態(tài)非常惡劣，為了人身安全，必須要進行絕緣檢測。無源接地絕緣電阻檢測方法U表示電池組電壓分別表示電池正負直流母線與車身之間的絕緣電阻，在電池的正負直流母線與車身之間接入電阻分別為正負直流母線在電阻R和R上的壓降，S為電子開關。通過S1的通斷可以獲得兩組方程式：通過這兩組方程式就可以求解：此種方法有3個缺點：第二，從以上兩式可以看出，當正負直流母線對地絕緣電阻值相等是，無解， 也就是無法計算出絕緣電阻

15、值第三，當電池組開路或電池組總電壓過低時，由于無法測量到被測電阻的分 壓，無法得到絕緣電阻值有緣絕緣電阻檢測方法：該檢測方法是通過隔離變壓器分別給正負直流母線和車身之間注入直流高壓，通過單片機測量分壓電阻的壓降，通過分壓比的不同來計算正負直流母線對地絕緣電阻值此電路的工作方式如下：三、三、BMSBMS的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 1、BMS的設計主要有如下技術難點：需要采集的數據量大，精度要求高；電池狀態(tài)的非線性變化嚴重制約了SOC的預測精度；內部電路復雜，安全性差，抗干擾能力要求高 2、根據對BMS的功能要求和目前研究中的問題可知，如何把握電池內部狀態(tài)的變化規(guī)律，用更有效的方式和采用更適當的算法來正

16、確估算SOC，減小SOC的估算誤差，仍將是今后研究的重點 3、在BMS的安全管理和控制功能模塊設計中，如何解決電池自身的安全性問題，例如:實現電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對人體造成傷害，尤其是在沖力作用條件下（發(fā)生碰撞時）對電池安全性的控制等，還需要進行大量的試驗研究 4、目前的很多BMS應用某一類型的電池時效果很理想，但卻難以應用到其它類型的電池上，甚至應用在同種類型的不同廠商的電池，效果也會有一定的差異 四、本人所做的工作四、本人所做的工作在科技部、安徽省科技廳、教育廳資助下，開發(fā)第一代BMSBMS系統(tǒng)結構圖實物圖：首次提出了基于模塊化設計思想，每個模塊之間采用總線形式進行數據傳輸。系統(tǒng)結構如圖2所示。這種結構的優(yōu)點有系統(tǒng)的復雜程度降