車載動(dòng)力電池系統(tǒng)及充電機(jī)充電技術(shù)解析

電動(dòng)汽車車載動(dòng)力電池的性能直接影響汽車的續(xù)航里程，車載動(dòng)力鋰離子電池組的安全性和串聯(lián)充電機(jī)充電不均衡問題是限制其發(fā)展的一大阻力。結(jié)合國內(nèi)外電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展?fàn)顩r，對其中前景較好的鋰離子電池管理系統(tǒng)的構(gòu)成和核心功能進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

電動(dòng)汽車采用電能替代化石燃料作為動(dòng)力，是未來交通的長遠(yuǎn)解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的心臟，只有對其進(jìn)行充分的了解，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的順利推廣。本文從國內(nèi)外電動(dòng)汽車主要車載動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機(jī)充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機(jī)充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。

1?車載鋰離子電池管理系統(tǒng)

作為電動(dòng)汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中可以實(shí)現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預(yù)測電池的功率強(qiáng)度，便于對整個(gè)電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。

在純電動(dòng)汽車中，BMS具有預(yù)測電池剩余電量、預(yù)測行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

如圖1所示，BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行測量，然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進(jìn)行控制，確保電池組處于優(yōu)溫度范圍內(nèi)。

安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警并及時(shí)采取斷路等緊急保護(hù)措施。狀態(tài)估計(jì)模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。

目前主要是SOC估算，SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進(jìn)行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實(shí)現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信。

BMS的核心功能是SOC估計(jì)、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機(jī)充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，設(shè)置電池的佳充放電曲線，例如設(shè)置充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負(fù)載在上電瞬間相當(dāng)于短路，因此需要進(jìn)行預(yù)充電機(jī)充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。

2?電池管理系統(tǒng)的核心功能

2.1 SOC估算

SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中重要的參數(shù)之一。SOC估計(jì)是判斷電池過充過放的基礎(chǔ)，精確的估計(jì)可以大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運(yùn)行。

電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準(zhǔn)確完成SOC估算有很大困難。

現(xiàn)有的SOC估算方法如下：

(1)安時(shí)計(jì)量法。安時(shí)計(jì)量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化，因而有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時(shí)間的推移，SOC累計(jì)誤差將不斷加大，影響終結(jié)果。該方法適合計(jì)量電動(dòng)汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計(jì)量方法。

電動(dòng)汽車車載動(dòng)力電池的性能直接影響汽車的續(xù)航里程，車載動(dòng)力鋰離子電池組的安全性和串聯(lián)充電機(jī)充電不均衡問題是限制其發(fā)展的一大阻力。結(jié)合國內(nèi)外電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展?fàn)顩r，對其中前景較好的鋰離子電池管理系統(tǒng)的構(gòu)成和核心功能進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

電動(dòng)汽車采用電能替代化石燃料作為動(dòng)力，是未來交通的長遠(yuǎn)解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的心臟，只有對其進(jìn)行充分的了解，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的順利推廣。本文從國內(nèi)外電動(dòng)汽車主要車載動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機(jī)充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機(jī)充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。

1?車載鋰離子電池管理系統(tǒng)

作為電動(dòng)汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中可以實(shí)現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預(yù)測電池的功率強(qiáng)度，便于對整個(gè)電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。

在純電動(dòng)汽車中，BMS具有預(yù)測電池剩余電量、預(yù)測行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

如圖1所示，BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行測量，然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進(jìn)行控制，確保電池組處于優(yōu)溫度范圍內(nèi)。

安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警并及時(shí)采取斷路等緊急保護(hù)措施。狀態(tài)估計(jì)模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。

目前主要是SOC估算，SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進(jìn)行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實(shí)現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信。

BMS的核心功能是SOC估計(jì)、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機(jī)充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，設(shè)置電池的佳充放電曲線，例如設(shè)置充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負(fù)載在上電瞬間相當(dāng)于短路，因此需要進(jìn)行預(yù)充電機(jī)充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。

2?電池管理系統(tǒng)的核心功能

2.1 SOC估算

SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中重要的參數(shù)之一。SOC估計(jì)是判斷電池過充過放的基礎(chǔ)，精確的估計(jì)可以大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運(yùn)行。

電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準(zhǔn)確完成SOC估算有很大困難。

現(xiàn)有的SOC估算方法如下：

(1)安時(shí)計(jì)量法。安時(shí)計(jì)量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化，因而有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時(shí)間的推移，SOC累計(jì)誤差將不斷加大，影響終結(jié)果。該方法適合計(jì)量電動(dòng)汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計(jì)量方法。

(3)充電機(jī)充電策略智能化。為了盡可能實(shí)現(xiàn)蓄電池的無損充電機(jī)充電，監(jiān)控其充放電狀態(tài)，避免過放電，達(dá)到既節(jié)能又延緩老化的目的，需要更智能的充電機(jī)充電策略。即針對不同的蓄電池提供不同的充電機(jī)充電策略，以吻合該電池充電機(jī)充電曲線。

(4)電能變換高效化。電動(dòng)汽車能量損耗與運(yùn)行成本相關(guān)甚密，要想進(jìn)一步推廣電動(dòng)汽車，必須盡可能地平衡其性價(jià)比，降低能耗。

(5)充電機(jī)充電系統(tǒng)集成化。隨著系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電機(jī)充電系統(tǒng)將和電動(dòng)汽車能源管理系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，集成電流檢測和反向放電保護(hù)等功能，無需外部組件即可實(shí)現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電機(jī)充電解決方案，從而為電動(dòng)汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電機(jī)充電效果，延長電池壽命。

3.2?智能充電機(jī)充電技術(shù)

基于以上對鋰離子電池組及其充電機(jī)充電現(xiàn)狀的分析，針對鋰離子電池組充電機(jī)充電過程中易產(chǎn)生的不均衡性和安全性問題，本文總結(jié)出一種基于電動(dòng)汽車BMS的智能充電機(jī)充電模式，如圖2所示。

在整個(gè)充電機(jī)充電過程中，BMS系統(tǒng)主要針對鋰離子電池組進(jìn)行電池電壓、電流信號的監(jiān)測和溫度、連接狀態(tài)等的檢測；充電機(jī)充電機(jī)中的智能管理系統(tǒng)針對充電機(jī)充電設(shè)備的輸出模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。BMS系統(tǒng)與充電機(jī)充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能通訊，進(jìn)行電池組與充電機(jī)充電設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)模式比對，為電池組選擇優(yōu)的充電機(jī)充電模式。

在充電機(jī)充電初始過程中，BMS對鋰離子電池組進(jìn)行允許大充電機(jī)充電量估計(jì)，即對整個(gè)電池組的單體進(jìn)行SOC評估，測出電池組大可充電機(jī)充電量。并結(jié)合預(yù)先設(shè)定的充電機(jī)充電量安全系數(shù)，計(jì)算出電池組大允許充電機(jī)充電量。

充電機(jī)充電過程中，按照大允許充電機(jī)充電量對鋰離子電池組進(jìn)行充電機(jī)充電。充分利用BMS的能量管理模塊，對電池組單體進(jìn)行充電機(jī)充電均衡控制，保證單體參數(shù)一致性。同時(shí)在充電機(jī)充電過程中，需要對SOC值進(jìn)行周期性(檢測周期根據(jù)電池荷電量的增加梯度制定)檢測。

利用BMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)功能，結(jié)合安全管理，大限度防止電池組的過充電機(jī)充電。在達(dá)到電池組大充電機(jī)充電量之后，BMS和充電機(jī)充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)均可以智能控制充電機(jī)充電控制器，結(jié)束充電機(jī)充電過程。同時(shí)，BMS斷開與充電機(jī)充電機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)的通訊。

智能充電機(jī)充電方式不僅能夠解決鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡問題，也能大限度地保證電池組充電機(jī)充電安全性，延長鋰離子電池組使用壽命，保證其使用安全性。

4?鋰離子電池檢測技術(shù)

我國大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，并且積極推動(dòng)相關(guān)充電機(jī)充電設(shè)施建設(shè)。但是這些示范性設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)很多問題，如電池的篩選匹配、設(shè)備的發(fā)熱、連接裝置的插拔接口接觸不良等。在少量裝置時(shí)出現(xiàn)的這些問題如果不能解決，在電動(dòng)汽車大量應(yīng)用后，將出現(xiàn)應(yīng)接不暇的局面，勢必對其發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

隨著電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)，急需相關(guān)配套檢測方案。天津市電力公司開展《移動(dòng)式電動(dòng)汽車充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備檢測技術(shù)研究》項(xiàng)目，其中針對電動(dòng)汽車換電站重要的是對電池組的檢測。

電動(dòng)汽車換電站中主要包括電池故障診斷，篩選維護(hù)和基于BMS監(jiān)測的分箱充電機(jī)充電技術(shù)，將針對電池篩選裝置和充電機(jī)充電機(jī)的性能進(jìn)行重點(diǎn)檢測。對鋰離子電池特性的研究和掌握，有利于對換電站中篩選裝置精確度進(jìn)行判斷，提高電池使用壽命。

通過對大量已投入運(yùn)行的充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，有利于掌握其運(yùn)行特性和故障特性，提高檢測效率，形成簡便快捷的移動(dòng)式檢測方案。這將是一道強(qiáng)有力的核心技術(shù)保障，有助于電動(dòng)汽車的全面發(fā)展。

5?結(jié)語

本文對鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對BMS的構(gòu)成和核心功能進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，針對電池組充電機(jī)充電不均衡問題提出了一種智能充電機(jī)充電模式。一套完善的智能充電機(jī)充電系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)充電機(jī)充電機(jī)與電池組之間的供求關(guān)系，為電池組提供更加安全可靠的充電機(jī)充電模式，延長其壽命，增加電池組可靠性且降低運(yùn)行成本，將成為未來電動(dòng)汽車技術(shù)的研究重點(diǎn)。與智能充電機(jī)充電技術(shù)相匹配的便捷的、快速的“移動(dòng)式”充電機(jī)充電關(guān)鍵設(shè)備檢測裝置的研發(fā)勢在必行。