電池管理系統(tǒng)國內外現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

1、海外電池管理系統(tǒng)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢一、簡介目前，影響電動汽車推廣應用的主要因素是動力電池的安全性和使用成本。延長電池壽命是降低運營成本的有效途徑之一。為了保證良好的電池性能，延長電池壽命，需要對電池進行合理有效的管理和控制。例如，日本青森工業(yè)高中從 1997 年開始研究（BMS）的實際應用1，美國維拉諾瓦大學和 Nanocorp 一直致力于基于模糊邏輯預測各種類型的電池 SOC。與我們合作多年。 2；豐田、本田和通用汽車都專注于 BMS 進行技術開發(fā)。我國啟動了“十一五”電動汽車大型專項研究計劃。經(jīng)過幾年的發(fā)展，BMS取得了接近國外標準的巨大進步。 2005年理科大學國家863計劃首批系列科研

2、項目EQ7200 HEV混合動力汽車鎳氫電池組及管理模塊及EQ6110 HEV混合動力汽車大功率鎳氫神州公司城市客車動力電池及其管理模塊、電池車用星恒大功率燃料鋰離子動力電池組及其管理系統(tǒng)、解放牌混合動力城市客車鋰離子電池及其管理模塊、有色金屬合成實驗室。此外，還有多能源動力總成控制系統(tǒng)和DC/DC轉換器等相關課題。 2. BMS的基本結構BMS的主要工作原理可以簡單概括如下。數(shù)據(jù)采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，然后由電子控制單元（ECU）進行數(shù)據(jù)處理和分析，再對分析結果和系統(tǒng)相關功能模塊進行分析。發(fā)出控制命令并向外界致信息?；谝陨显恚腥R多大學提出了典型BMS的基本結構圖（圖1）3。這

3、個典型的系統(tǒng)將 BMS 簡化為兩部分。它是一個均衡器 (EQU)，用于均衡 ECU 和電池之間的充電水平。 ECU的任務主要包括四個功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制。 ECU 還控制電池維護設備，例如均衡器和汽車充電器。 圖 2 顯示了物理與先進工程研究所 4 開發(fā)的 BMS 系統(tǒng)的配置和邏輯關系。該系統(tǒng)擴展了上述結構的功能。也就是說，添加一個熱管理系統(tǒng)、一個安全設備和一個充電系統(tǒng)來與您的 PC 進行通信。此外，加強與電機控制器的通訊鏈接，實現(xiàn)能量制動反饋和最大輸出控制。 圖3為該校研發(fā)的電動汽車（EV23）采用的集中式BMS結構示意圖。 BMS系統(tǒng)最大的優(yōu)點是采用了電壓隔離開關矩陣，

4、提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和系統(tǒng)的安全性。其多個隔離的數(shù)字和模擬信號輸入輸出通道，不僅可以讓您根據(jù)自己的需求靈活使用，還可以有效增強系統(tǒng)的抗干擾能力。目前，國外正在開展基于智能電池模塊（SBM）的BMS研究。微控制器安裝在電池模塊上，相關電路集成封裝，多個智能電池模塊組合.連接控制模塊并添加其他輔助設備，形成基于電池的智能管理系統(tǒng)。 BMS成功地實現(xiàn)了每個電池模塊的狀態(tài)監(jiān)測、模塊電池單體平衡和電池保護功能5。美國美光公司研制的軍用電動車BMS就是采用這種結構6。 3. BMS功能組件概述目前基于國外研究工作設計的電動汽車BMS通常包括以下功能組件7：數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）：估算、電氣控制（充

5、放電控制、均衡充電、等）、熱管理、安全管理、數(shù)據(jù)通信。 (1) 數(shù)據(jù)采集在BMS中，采集的數(shù)據(jù)是對電池進行合理有效管控的基礎。因此，數(shù)據(jù)準確性、采樣頻率和數(shù)據(jù)過濾非常重要。考慮到電壓、電流和溫度的動態(tài)特性，采樣頻率通常應至少為每秒一次7。鋰離子電池安全性要求高，對電壓敏感。需要采集每個電池的電壓并監(jiān)測每個電池的溫度。 NiMH 和鉛酸電池不需要與鋰離子電池相同的高電壓和溫度采集精度。為了簡化BMS的結構，電壓和溫度可以成對或成組獲得。例如，參考文獻中開發(fā)的 Ni-MH BMS。 8 為每個由 10 個單節(jié)電池組成的電池組設置五個電壓測量點。另一方面，對于溫度測量，每個電池組設置一個測量點。(2

6、) 估算SOC 確定電池電量(SOC) 是BMS 的一個重要而困難的部分。由于使用中的電動汽車電池的高度非線性特性，準確估計 SOC 非常困難。傳統(tǒng)的SOC基本估算方法有開路電壓法、電阻法和安時法。近年來，開發(fā)了許多新的電池SOC算法，如模糊邏輯算法模型2、自適應神經(jīng)模糊推理模型9、卡爾曼濾波器估計模型算法10、新的線性模型方法等。阻抗譜11。 開路電壓法適用于測試電池處于穩(wěn)定狀態(tài)的SOC，不宜在電動汽車運行時單獨使用。開路電壓法通常用作其他算法的補充11。電阻法是根據(jù)電池電阻與 SOC 之間的關系來預測 SOC。但電池的內阻受多種因素影響，測量結果容易受到干擾，可靠性不高。此外，這種方法更復

7、雜，計算成本更高，因此難以在實踐中應用12。安時法可讓您對電池的能量輸出或電池的輸入能量進行積分記錄，并根據(jù)充放電的初始SOC狀態(tài)計算電池的SOC。這種方法是最直接、最直接、最簡單、最容易實現(xiàn)的。它在短時間內精度很高，但長時間工作時累積誤差會增加10-11。 在實踐中，安時法是最常用的方法，應與安時電阻法、安培-皮克特方程、安時開路電壓等其他方法結合使用。 13。這些組合算法通常比單獨的安培小時方法更準確。由于各種智能算法和新算法的不成熟，一些復雜的算法在單片機系統(tǒng)中難以實現(xiàn)，在實際應用中很少見，但這是未來發(fā)展的方向。 . 為了更準確地估算SOC，算法中需要考慮溫度補償、自放電、電池老化等諸多

8、因素。例如，亞洲國立大學和先進工程研究所的研究人員在 SOC 估算中估算了電池的實際可用容量（包括溫度因素）、自放電率以及電池老化對容量的影響。我想過這個問題。我們開發(fā)了鎳氫電池并提出了 SOC。公式5為： SOC（%）=100%（額定容量+容量補償系數(shù)+自放電效應+老化效應-放電容量+充電容量）/額定容量， SOC推算精度為3%。 (3) 電氣控制 德國的 Jossen A 等研究人員發(fā)現(xiàn)，電氣控制需要實現(xiàn)包括充電過程控制在內的功能，包括充電均衡、SOC、電池健康（SOH）和溫度相關的放電電流。包括7。在電氣控制中，需要結合所使用的電池技術和電池類型，將控制充放電的算法邏輯設置為充放電控制的

9、標準。在BMS中，均衡計費是一個非常重要的環(huán)節(jié)。動力電池通常由多個大容量單體電池串聯(lián)而成。然而，單體電池之間的不一致會降低電池組的使用水平，嚴重影響電動汽車的性能，危及電動汽車的安全14。例如，該校研發(fā)的EV23，在不進行均衡充電的情況下，經(jīng)過多次充放電后，10個單節(jié)鎳氫電池組之間的最大電壓差約為2V。 . 有許多用于平衡費用的方案。首先，必須考慮電路的復雜性和平衡效率。美國托萊多大學的 BMS 15 中使用了集中式非耗散選擇性升壓均衡器。解決方案是通過控制繼電器網(wǎng)絡的切換來平衡選定的單個電池的電荷。硬件設備比獨立天平簡單，但效率相對較低。 BFC6100EV是科大研發(fā)的電動公交車，采用電池組

10、均衡充電保護系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了同化充電和電池保護的綜合應用16。4)電池本身，尤其是鋰離子電池，如果過度充電，可能會起火或爆炸。因此，電池安全是國外各大車企和科研院所關注的問題。我們目前面臨并需要解決。這直接影響到電動汽車的普及。在安全方面，BMS主要側重于電池對高電壓和大電流泄漏的保護。所需的功能是過壓和過流控制、過放電控制、過熱預防和碰撞。關閉電池沒有 這些功能可以與電氣控制和熱管理系統(tǒng)相結合。許多系統(tǒng)都增加了特殊的電池保護電路和電池保護芯片。例如，在 Ref 的 BMS 中。 5，智能電池模塊的電路設計還具有斷開單個電池的能力。安全管理系統(tǒng)中最重要的是準確掌握電池狀態(tài)信息，并在出現(xiàn)異常情況

11、時發(fā)出報警信號或斷開電路，以防事故發(fā)生。 (5)熱管理電池，如鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等，根據(jù)溫度不同工作方式不同。最佳工作溫度為25-40 。隨著溫度的變化，電池的SOC、開路電壓、電阻、可用能量都會發(fā)生變化，這也會影響電池的壽命。溫度差異也是導致電池平衡問題的原因之一。美國國家可再生能源研究所的 Ahmad A. Pesaran 指出，熱管理系統(tǒng)的主要任務是使電池在適當?shù)臏囟确秶鷥冗\行，并減少單個電池模塊之間的溫差 17 .通過使用車載空調，可以控制電池溫度，這也是電動汽車常用的溫度控制方式。 (6)數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是BMS的重要組成部分之一。在BMS中，目前的數(shù)據(jù)通信方式主要采用C

12、AN總線通信方式。清華大學和清華大學聯(lián)合開發(fā)的BMS在各個模塊之間使用CAN網(wǎng)絡，另一個用于通信和顯示模塊的CAN通信接口連接到車輛CAN通信網(wǎng)絡18。在同濟大學開發(fā)的測試中，燃料電池電動汽車有2個以上的BMS，子模塊采用LIN總線通信，與整車通信采用CAN總線方式19。 使用智能電池模塊時，可以選擇使用無線通訊或通過電力載波與主控器通訊。這兩種通信方式都可以降低BMS的布線復雜度和電動車部門的電路復雜度，但可靠性和抗干擾能力不如CAN總線。另外，每個BMS基本上都有與電腦的通訊接口，方便在電腦上分析電池數(shù)據(jù)信息。四、BMS未來的研究方向和發(fā)展趨勢與電機、電機控制技術、電池技術相比，BMS還不是很成熟20。 BMS作為電動汽車最重要的技術之一，近年來得到了顯著提升，在很多方面都進入了實用階段，但尤其是采集數(shù)據(jù)的可靠性和SOC估計精度并不完美。部分。安全管理等方面有待進一步完善和完善。 (1) BMS設計存在以下技術問題。需要采集的數(shù)據(jù)量大，準確率高。電池狀態(tài)的非線性變化極大地限制了SOC的預測精度。內部電路復雜，安全性低，抗干擾能力差。 （2）根據(jù)BMS的功能需求和當前的研究問題，把握電池狀態(tài)變化規(guī)律，使用更有效的方法，使用更合適的算