詳解電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 13:45
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電池作為電動(dòng)汽車中的重要儲(chǔ)能元件，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到電動(dòng)汽車的性能。
電動(dòng)汽車的熱管理對于電動(dòng)車的意義重大，原因在于：電動(dòng)汽車電池組會(huì)長時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，這將縮短電池的使用壽命、降低電池性能;電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡;電池組的熱監(jiān)控和熱管理對整車運(yùn)行安全意義重大。特斯拉電動(dòng)汽車之所以成為業(yè)內(nèi)佼佼者，一定程度上得益于強(qiáng)大的電池管理系統(tǒng)。只有對復(fù)雜而繁多的電池組進(jìn)行有效的控制與管理，才能突破電動(dòng)汽車推廣普及的瓶頸。一起來看看電池管理系統(tǒng)如何工作。
1電池管理系統(tǒng)(BMS)定義
鋰離子電池的安全工作區(qū)域如圖1所示。BMS的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能：1)安全性;;2)耐久性;3)動(dòng)力性。
BMS軟硬件的基本框架如圖2所示，應(yīng)該具有的功能：1)電池參數(shù)檢測。2)電池狀態(tài)估計(jì)。3)在線故障診斷。4)電池安全控制與報(bào)警。5)充電控制。6)電池均衡。7)熱管理。8)網(wǎng)絡(luò)通訊。9)信息存儲(chǔ)。10)電磁兼容。
電動(dòng)汽車電池技術(shù),動(dòng)力電池管理系統(tǒng)
圖2車用BMS軟硬件基本框架
2電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1電池管理系統(tǒng)對傳感器信號(hào)的要求
2.1.1單片電壓采集精度
一般地，為了安全監(jiān)控，電池組中的每串電池電壓都需要采集。不同的體系對精度的要求不一樣。
電動(dòng)汽車電池技術(shù),動(dòng)力電池管理系統(tǒng)
圖3單體電池OCV曲線及其電壓采集精度要求
對于LMO/LTO電池，單體電壓采集精度只需達(dá)到10mV。對于LiFePO4/C電池，單體電壓采集精度需要達(dá)到1mV左右。但目前單體電池的電壓采集精度多數(shù)只能達(dá)到5mV。
2.1.2采樣頻率與同步
電池系統(tǒng)信號(hào)有多種，而電池管理系統(tǒng)一般為分布式，信號(hào)采集過程中，不同控制子板信號(hào)會(huì)存在同步問題，會(huì)對實(shí)時(shí)監(jiān)測算法產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)BMS時(shí)，需要對信號(hào)的采樣頻率和同步精度提出相應(yīng)的要求。
2.2電池狀態(tài)估計(jì)
電池各種狀態(tài)估計(jì)之間的關(guān)系如圖4所示。電池溫度估計(jì)是其他狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)。
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圖4電池管理系統(tǒng)算法框架
2.2.1電池溫度估計(jì)及管理
溫度對電池性能影響較大，目前一般只能測得電池表面溫度，而電池內(nèi)部溫度需要使用熱模型進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)估計(jì)結(jié)構(gòu)對電池進(jìn)行熱管理。
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圖5電池內(nèi)部溫度估計(jì)流程
2.2.2荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)
SOC算法主要分為單一SOC算法和多種單一SOC算法的融合算法。單一SOC算法包括安時(shí)積分法、開路電壓法、基于電池模型估計(jì)的開路電壓法、其他基于電池性能的SOC估計(jì)法等。融合算法包括簡單的修正、加權(quán)、卡爾曼濾波以及滑模變結(jié)構(gòu)方法等。
卡爾曼濾波等基于電池模型的SOC估計(jì)方法精確可靠，是目前的主流方法。
2.2.3健康狀態(tài)(SOH)估計(jì)
SOH是指電池當(dāng)前的性能與正常設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏離程度。圖6為電池性能衰減原理簡單示意圖。目前SOH估計(jì)方法主要分為耐久性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)法和基于電池模型的參數(shù)辨識(shí)方法。
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圖6鋰離子電池雙水箱模型
2.2.4功能狀態(tài)(SOF)估計(jì)
估計(jì)電池SOF可以簡單認(rèn)為是在估計(jì)電池的最大可用功率。常用的SOF估計(jì)方法可以分為基于電池MAP圖的方法和基于電池模型的動(dòng)態(tài)方法兩大類。
2.2.5剩余能量(RE)或能量狀態(tài)(SOE)估計(jì)
RE或SOE是電動(dòng)汽車剩余里程估計(jì)的基礎(chǔ)，與百分?jǐn)?shù)的SOE相比，RE在實(shí)際的車輛續(xù)駛里程估計(jì)中的應(yīng)用更為直觀。
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圖7電池剩余能量(RE)示意
圖8是一種適用于動(dòng)態(tài)工況的電池剩余放電能量精確預(yù)測方法EPM(energypredictionmethod)。
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圖8電池剩余放電能量預(yù)測方法(EPM)結(jié)構(gòu)
2.2.6故障診斷及安全狀態(tài)(SOS)估計(jì)
故障診斷是保證電池安全的必要技術(shù)之一。安全狀態(tài)估計(jì)屬于電池故障診斷的重要項(xiàng)目之一，BMS可以根據(jù)電池的安全狀態(tài)給出電池的故障等級(jí)。
2.2.7充電控制
充電析鋰是影響電池壽命的主因，目前對于析鋰的機(jī)理已經(jīng)有了研究，基于析鋰狀態(tài)識(shí)別的充電管理將是今后的主要研究方向，應(yīng)在保證電池負(fù)極不發(fā)生析鋰情況下，盡可能增大充電電流，縮短充電時(shí)間。
2.2.8電池一致性與均衡管理
單體電池的不一致性將最終影響電池組的壽命，主要是由單體電池容量衰減差異(不可恢復(fù))和荷電量差異兩者造成。后者可以通過均衡方法來補(bǔ)償。
