徐广杰
长城汽车股份有限公司,河北省汽车技术创新中心 河北保定 071000
摘要:伴随社会的发展,人类文明发展过程中对于生态环境的重视程度越来越高,在高新技术成果的推动之下,新能源汽车应用而生。电动汽车成为能源危机背景下汽车转型的重要方向,我国对于电动汽车的研究已经经历了十多年的发展历程,相关部门对电动汽车的重视程度逐渐加强,投入了大量的人力物力财力,希望能够早日实现电动汽车的自主研发。电池管理系统是电动汽车的核心技术,也是现阶段制约我国电动汽车技术水平进一步提升的瓶颈,所以如何基于现有成果展开未来的研究,推动核心技术的进步成为相关领域重点关注的话题。因此,电动汽车电池管理系统(BMS)的研究具有重要现实意义。
关键词:电动汽车;电池;管理系统
引言
近年来,我国一直致力于发展电动汽车产业,政府和企业对电动汽车产业的支持和投入也在不断增长。随着电动汽车技术愈发成熟,其技术瓶颈也开始显现,其中动力电池的安全性和续航性制约着电动汽车产业的发展。动力电池的安全性和续航性主要取决于两大因素:一方面由其电池自身的品质决定,另一方面,电池管理系统(BMS)也起到了至关重要的作用。
一、动力电池管理系统简述
动力电池管理系统(BMS)通常对单体电压、总电压、总电流和温度等进行实时监控采样,并将实时参数反馈给整车控制器。动力电池管理系统除了对电池性能参数进行监控、实施电性能管理以外,还具有以热管理为主的应用环境管理,实施对电池的加热和冷却,确保电池的良好应用环境温度以及温度场的一致性。若动力电池管理系统发生故障,就失去了对电池的监控,不能估计电池的荷电状态,容易造成电池过充、过放、过载、过热以及不一致性问题的增加,影响电池的性能、使用寿命甚至行车安全。
二、电池管理系统的研究现状
2.1国外进展
国外较典型的BMS及功能特点如下:①EV1BMS的功能和特点包括:单电池的电压监测;分流采集电池组的电流;过放电报警系统;高压断电保护;电量里程预算等;②SmartGuard系统的主要特征是采用分布式的方式采集电池的温度和电压。主要功能包括:自动过充电监控;记录电池历史数据;提供最差单体电池的信息等;③BatOpt系统是一个分布式系统,包括中心控制单元(MCU)和监控模块。监控模块通过twowire总线,向MCU传输每个电池工作信息,MCU在收集信息后,对电池进行优化控制;④BADICOaCH系统的主要特点:使用一非线性电路来测量每个电池单元的电压,并通过一条信号线将各个单体电池电压传输给系统;显示最差单体电池的SOC;存储历史充放电周期的数据,并且通过这些数据判断电池的工作状况,快速检索电池错误使用情况等;⑤BATTNIANBMS强调不同型号动力电池组管理的通用性,其最大特点是:通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的方法,来管理不同型号的电池组。
2.2国内进展
我国在“十五”期间设立电动汽车重大研究项目,积极推进BMS研究、开发和工程化应用,取得了一系列的成果和突破,与国外水平较为接近。目前主要是一些高校依托自己的科技优势,联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同进行了如下研究:①电池动态参数采集的稳定性和精度的提高;②车载电池SOC的估测;③电池模型的研究;④电池组均衡控制的研究;⑤BMS与充电机进行CAN通讯,实现协调控制和优化充电;⑥车载电池组箱体空间和机械结构设计及合理的散热控制;⑦电池故障分析与在线报警、BMS自检及处理。
三、电池管理系统主要硬件设计
根据动力电池管理系统功能和实际监测和管理的对象,采用功能划分和模块化设计思想,系统分离成不同的功能模块。因主控制器与各采集模块之间电压基准不同,为此,在硬件设计时需要通过隔离电路来完成。
单体电压采集是BMS的关键,其准确性直接影响着SOC估算精度和均衡控制。
系统采用了专用高精度采集芯片AD7280进行单体电压采集,单片AD7280可同时采集6节电池的单体电压信号,多个AD7280通过特有的菊花链接口进行级联使用,有效地减少了隔离电路的设计。
系统在提高电压一致性上,采用能耗型被动均衡方案,原理如图2所示。每节电池单体通过一个开关与一个功率电阻并联,均衡过程中,高出阈值电压的电池单体能量通过大功率电阻来消耗。被动均衡主要在充电过程中使用,避免单节电池发生过充现象。
电池组充放电电流检测精度和速度,决定着SOC的估算精度。采用串接于高压用电回路的霍尔元件来检测电池充放电电流,将其采样信号经滤波放大处理后,由电流采样芯片进行测量,并将结果传送至主控制器进行处理。
电池组的绝缘情况关系着整个车辆的安全运行,系统采用绝缘电阻的在线检测法,原理如图3所示,在直流正负母线与电地盘之间接入一系列电阻,通过电子开关或继电器切换接入电阻的大小,测量不同接入电阻下正负母线在被测电阻上的分压值,结合方程式解出正负母线对地的绝缘电阻。
四、系统软件设计
系统软件采用模块化设计、层次化管理,系统软件设计基于Metrowerks公司的CodeWarrior平台,采用C语言进行开发,根据功能分为若干个子程序,其中包括:单体电压采集子程序、电流采集子程序、绝缘检测子程序、SOC估算子程序、电池均衡子程序等。系统软件主要分为硬件驱动和上层应用部分,相继完成各种信号采集,实现相应控制策略。系统软件流程如图4所示。
由于电池管理系统的运用环境很复杂,在使用硬件抗干扰的基础上,在软件上也加入抗干扰设计。在软件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术,防止程序运行异常或失效,确保系统的正常可靠运行。
SOC的估算是电池管理系统关键技术指标。系统采用安时积分法结合开路电压法相结合的估算方法有效地避免了单一算法的缺陷。利用安时积分计算动态过程中SOC的变化量,开路电压法修正安时积分造成的累积误差。实现对系统电量的阶段性校准,确保汽车安全可靠运行。
五、电池管理系统的发展方向
与传统内燃机车相比,电动汽车发展时间还较短,许多技术还不成熟。电池管理系统作为电动汽车关键技术之一,尽管近些年来有了很快的提升,也有很多投入了实际的运用,但是现在的电池管理技术仍然有许多要改良和完善的地方。①SOC描述电池的剩余荷电数量,是电池使用过程中的重要参数。同时SOC的预测精度又被电池状态非线性的变化所影响。如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据,建立每块电池剩余能量的较精确的数学模型,即准确估测电动汽车蓄电池的SOC状态仍将是后期研究的重点。②电池管理系统中的动力电池组是由多个单体电池串联组成的电池模块,由于动力电池组中单个电池容量的不一致,通过若干次充放电循环后电池组会失衡,严重影响动力电池组的效率与安全。如何采用均衡充电予以补偿,保持每个电池容量的相对一致,设计出低成本的电池均衡系统是电动汽车是否能够产业化的重要因素。③对动力电池的安全管理也是电池管理系统的重要研究课题之一,关系到电动车能够得到消费者信赖的最关键因素。安全管理除了电池组热管理技术和对系统异常报警技术外,同时还需要加强对异常情况的及时处理,如充放电突然增大或电池损坏。④目前的很多国内外比较成型的BMS是针对某一类电池设计的,效果比较好,但运用到其他类型的电池上效果就没那么好了。因此,研究更具有通用性的BMS已经成为目前的发展方向。
结语
随着越来越多的人开始意识到环境保护的重要性,使得更多的人慢慢关注到了我们日常使用的电池上面。因为电池的使用已经渗透到日常生活的各个方面了,但是人们对于电池的有效管理和合理使用还是不太清楚。因而今后,进一步对电动车的电池管理系统进行研究,提出改进的方法是必要的。
参考文献:
[1]黄勇,陈全世,陈伏虎.电动汽车电气绝缘检测方法的研究[J].现代制造工程,2015,(04):93-95.
[2]乔国艳.电动汽车电池管理系统的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2016.
[3]黄勇,陈全世,陈伏虎.电动汽车电气绝缘检测方法的研究[J].现代制造工程,2015,(04):93-95.