胡浪 喬俊叁

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 鋰離子電池 管理系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)

純電動(dòng)汽車電池使用性能，和電池模塊自身性能、電池管理系統(tǒng)有關(guān)，合理運(yùn)用鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，有助于為電池過(guò)充、放電管理奠定基礎(chǔ)，而且能夠延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，所以合理使用電池管理系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)非常必要。

1 鋰電池基本結(jié)構(gòu)、主要特性的分析

1.1 鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

鋰離子電池正極材料使用鋰化合物，負(fù)極應(yīng)用的為鋰碳層化合物，電解液為有機(jī)溶液，鋰離子電池結(jié)構(gòu)通過(guò)正極集流體、正極材料，以及電解液和負(fù)極材料、負(fù)極集流體等組成[ 1 ]。電池負(fù)極、電解液間可形成SEI膜，會(huì)消耗大量電池內(nèi)鋰離子，增加電極、電解液界面電阻，所以電壓會(huì)不同程度下降。需要注意的是，較好的SEI模具存在有機(jī)溶劑不溶性特征，允許鋰離子自由進(jìn)出電極，溶劑分子不能穿越，能對(duì)溶劑分子公插所致電極破壞加以抑制，便于切實(shí)延長(zhǎng)電極循環(huán)的時(shí)間。

1.2 鋰離子電池的技術(shù)性能、放電特性

鋰離子電池、其他電池進(jìn)行比較，存在環(huán)境污染小、使用時(shí)間長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)勢(shì)，因而當(dāng)前被廣泛應(yīng)用。鋰離子電池電壓放電早期可在較短時(shí)間下降，然后進(jìn)到平緩下降期，究其原因和放電電流的大小存在聯(lián)系，電池溫度會(huì)受到放電時(shí)間增加變化影響，放電電壓降低與放電深度存在聯(lián)系[2]。

2 鋰離子電池管理系統(tǒng)情況研究

電池管理系統(tǒng)BMS主要工作，為確保電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能安全性、耐久性及動(dòng)力，其中安全性表現(xiàn)在加強(qiáng)對(duì)電池單體/電池組的保護(hù)，能夠避免發(fā)生安全事故;耐久性體現(xiàn)在電池可靠區(qū)域內(nèi)，有效延長(zhǎng)電池應(yīng)用時(shí)間方面;動(dòng)力性，需確保電池工作達(dá)到車輛的需要。MNS通過(guò)不同類型傳感器、執(zhí)行器，以及控制器、信號(hào)線等方面構(gòu)成，為達(dá)到純電動(dòng)汽車的要求BMS需具備電池參數(shù)檢測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷和電池安全控制、報(bào)警等功能。（1）電池參數(shù)檢測(cè)主要對(duì)總電壓、電流、單體電池電壓、溫度、煙霧、絕緣及碰撞等進(jìn)行檢測(cè)。（2）電池狀態(tài)估計(jì)即為對(duì)荷電狀態(tài)SOC/放電深度DOD、健康狀態(tài)SOH、功能狀態(tài)SOF、能量狀態(tài)SOE、故障和安全狀態(tài)SOS等加以估計(jì)。（3）在線故障診斷多需對(duì)故障類型、故障定位、故障信息輸出等方面加以診斷。所謂故障檢測(cè)即為將采集傳感器信號(hào)，以診斷算法的方式明確故障的類型，在第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)警[3]。電池故障指的是電池組、高壓電回路和熱管理等故障。電池組故障為過(guò)壓、欠壓、過(guò)電流，以及接頭松動(dòng)、絕緣降低等故障。（4）電池安全控制、報(bào)警，涉及熱系統(tǒng)和高壓電安全方面控制，實(shí)行BMS診斷故障后能借助網(wǎng)絡(luò)的作用，及時(shí)通知整車控制器處理，故此能夠有效避免發(fā)生高低溫、過(guò)充、過(guò)放等情況。

3 純電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)芻議

3.1 采樣頻率、同步管理系統(tǒng)監(jiān)管技術(shù)信號(hào)采樣頻率、同步對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施分析處理存在積極的影響，進(jìn)行BMS事后需對(duì)信號(hào)采樣頻率、同步精度提出明確要求，電池系統(tǒng)信號(hào)比較多且電池管理系統(tǒng)主要為分布形式，電流采樣、單片電壓采樣處于各個(gè)電路板位置。信號(hào)采集期間，各個(gè)控制子板信號(hào)涉及同步的問題，這對(duì)于內(nèi)阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重影響，相同單片電壓采集子板使用巡檢的手段，單體電壓間需重視同步，并對(duì)不一致性加以深入分析。系統(tǒng)會(huì)對(duì)各種信號(hào)數(shù)據(jù)采樣頻率、同步提出不同的要求，對(duì)于慣性較大參量的要求不會(huì)很高，純電動(dòng)車電池放電溫度升高數(shù)量級(jí)在每分鐘0.1°C，這個(gè)過(guò)程應(yīng)考慮到溫度安全監(jiān)控問題、BMS溫度精度溫度，將溫度采樣間隔時(shí)間設(shè)置為30s。電壓、電流信號(hào)的變化非?？欤瑢?duì)采樣頻率、同步性會(huì)提出明確要求。通過(guò)交流阻抗分析得出，動(dòng)力電池歐姆內(nèi)阻相應(yīng)ms級(jí)，SEI膜離子傳輸阻力電壓相應(yīng)10ms級(jí)，電荷轉(zhuǎn)移相應(yīng)在10s級(jí)以內(nèi)。當(dāng)前，電動(dòng)車加速過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流會(huì)經(jīng)小——大變化，最大相應(yīng)時(shí)間為0.5s，電流精度在1.2%左右，并且需要考慮到變載工況問題，電流采樣頻率在200Hz以內(nèi)。單片信息采集子板電壓通道最多數(shù)量為24個(gè)，純電動(dòng)乘用車電池通過(guò)100節(jié)電池構(gòu)成，單體電池信號(hào)采集會(huì)使用的較多采集子板。為使電壓保持同步的狀態(tài)，需嚴(yán)格所有采集子板單體電壓采樣時(shí)間，每個(gè)巡檢周期控制在20ms左右。此外，子板間同步經(jīng)發(fā)送一幀CAN參考幀獲得最理想的效果，數(shù)據(jù)更新頻率>12Hz。

3.2 電池狀態(tài)估計(jì)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電池狀態(tài)涉及電池溫度、SOC、SOS、SOH、SOF/SOE等，電池溫度估計(jì)可為其他狀態(tài)估計(jì)奠定良好基礎(chǔ)，而SOC估計(jì)容易受到SOH所影響，SOF經(jīng)SOC、SOH及SOS、電池溫度確定，SOE、SOC、SOH及電池溫度間的聯(lián)系緊密。

3.2.1 電池溫度估計(jì)、管理要點(diǎn)

溫度，對(duì)于電池性能會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重影響，當(dāng)前可對(duì)電池表面溫度加以檢測(cè)，電池內(nèi)部溫度需借助熱模型的作用加以估計(jì)[4]。一般多會(huì)使用電池?zé)崮Ｐ?，主要為零維、一維、二維、三維幾個(gè)模型，前者主要能對(duì)電池充放電溫度變化計(jì)算，估計(jì)精度較高、模型計(jì)量非常小，所以可在實(shí)時(shí)溫度估計(jì)中應(yīng)用;一維模型、二維模型、三維模型，均會(huì)使用數(shù)值方法求解傳熱微分方程，以此合理劃分電池網(wǎng)格，對(duì)電池溫度場(chǎng)作以合理的計(jì)算，這個(gè)過(guò)程需明確電池結(jié)構(gòu)對(duì)于傳熱構(gòu)成的影響。一維模型，需考慮到電池在相同方向溫度分布、其他方向比較均勻;二維模型應(yīng)該考慮到電池2個(gè)方向溫度分布狀況，圓柱形電池軸向、徑向溫度分布，能夠明確電池內(nèi)部溫度場(chǎng)情況，主要在薄片電池溫度分析中運(yùn)用;三維模型能夠準(zhǔn)確顯示出方形電池內(nèi)部溫度場(chǎng)，同時(shí)仿真精度非常高，不足：計(jì)算量非常大，在實(shí)時(shí)溫度估計(jì)中應(yīng)用效果不佳，但可在實(shí)驗(yàn)室溫度場(chǎng)仿真中使用。為促使三維模型計(jì)算結(jié)果更加精確，建議借助三維模型溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行結(jié)算，準(zhǔn)確表達(dá)電池產(chǎn)熱功率、內(nèi)外溫差關(guān)系。如此一來(lái)，產(chǎn)熱功率、電池表面溫度估計(jì)電池內(nèi)部溫度，均存在BMS應(yīng)用的價(jià)值。通常情況下，鋰離子電池工作溫度應(yīng)該保持在18～30°C的范圍， 電動(dòng)汽車工作溫度保持在零下30°～45°C，需加強(qiáng)電池?zé)峁芾碓诘蜏貢r(shí)加熱、高溫時(shí)冷卻管理[5]。熱管理涉及設(shè)計(jì)、控制方面工作溫度控制主要經(jīng)溫元件檢測(cè)電池各個(gè)位置溫度，綜合溫度分布狀況對(duì)控制電路散熱執(zhí)行器加以管理，這就需要結(jié)合溫度范圍分檔控制，插電式混合動(dòng)力電池?zé)峁芾矶嗤ㄟ^(guò)主動(dòng)、被動(dòng)、不冷卻幾個(gè)模式管理，動(dòng)力電池溫度>預(yù)定被動(dòng)冷卻目標(biāo)溫度，被動(dòng)散熱模式啟動(dòng);溫度持續(xù)升高到主動(dòng)冷卻溫度，可開啟主動(dòng)散熱的模式。

3.2.2 SOC估計(jì)要點(diǎn)

SOC研究趨于成熟，SOC算法主要包括單一SOC算法、多種單一SOC算法融合算法，前者由安時(shí)積分法和開路電壓法構(gòu)成;后者通過(guò)修正、加權(quán)和卡爾曼濾波等方法組成。（1）安時(shí)積分法中荷電狀態(tài)、起始時(shí)刻荷電狀態(tài)、額定容量、庫(kù)侖效率分別通過(guò)SOC、SOC0、Cn、η表示，放電、充電分別為：1、<1，電流同I表示，充電為負(fù)極、放電為正極。起始負(fù)荷狀態(tài)準(zhǔn)確條件下，安時(shí)積分法可在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到精度要求，不足：起始SOC0會(huì)對(duì)荷電狀態(tài)估計(jì)精度構(gòu)成直接影響，庫(kù)倫效率η易受到電池工作狀態(tài)因素影響，無(wú)法確保測(cè)量的準(zhǔn)確性[6—7]。電流檢測(cè)精度偏差的話，容易引發(fā)累計(jì)效應(yīng)，會(huì)對(duì)荷電狀態(tài)精度構(gòu)成不利影響。（2）開路電壓OVC方法的應(yīng)用，鋰離子電池荷電狀態(tài)、鋰離子活性材料嵌入量間的聯(lián)系緊密，同時(shí)和靜態(tài)熱力學(xué)存在關(guān)聯(lián)，靜置后開路電壓能達(dá)到平衡電動(dòng)勢(shì)。需要注意事項(xiàng)：某種電池OVC、充放電過(guò)程有關(guān)，比如：充電OCV、放電OCV易產(chǎn)生滯回現(xiàn)象。該種方法的應(yīng)用荷電狀態(tài)估計(jì)精度非常高，不足：需長(zhǎng)時(shí)間靜置達(dá)到平衡的要求，易受到荷電狀態(tài)、溫度因素作用，可在電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)中應(yīng)用，不建議進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

BMS作為純電動(dòng)汽車中的重要部分，為延長(zhǎng)電動(dòng)汽車和鋰離子電池管理系統(tǒng)的使用時(shí)間，需要明確鋰電池的結(jié)構(gòu)、放電性能，并且有效運(yùn)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而朝著集成化的方向努力，切實(shí)解決SOC估算精度問題，加強(qiáng)能量均衡及充放電管理。