电动汽车动力电池BMS探讨及方案

电动汽车动力电池BMS探讨及 今年来随着我国汽车工业及汽车运用市场的高速发展，对节能与环保要求越来越高，新能源汽车已被列为我国汽车行业今后5年发展的重中之重，新能源汽车产业也被列为国家7个战略性新兴产业之一。预计到2020年，新能源汽车累计产销量达到500万辆。因此，需要有更多的学生从事新能源汽车的涉及、制造、销售、运用、维护等工作，掌握新能源汽车构造已是必然。故，我校组织同学进行对新能源汽车进行自主探讨。我们小组的任务是电动汽车动力电池及BMS方案的探讨！如下： 第一部分：电动汽车动力电池 现在的新能源汽车电池主要可分为四种，分别为：铅酸电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池。 一、四种电池的特点及现如今的在新能源届的地位。 （1）铅酸电池 铅酸电池作为比较成熟的技术，因其成本较低，而且能够高倍率放电，依然是唯一可供大批量生产的电动车用电池。北京奥运会时，有20辆使用铅酸电池的电动汽车，为奥运会提供交通服务。但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密度都很低，以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程。 主要的生产厂家有江苏光明蓄电池有限公司、无锡市新升蓄电池有限公司、福建冠宇电源有限公司、宣城超越电源有限公司、上海复鑫电源科技有限公司、宜兴市千里猫皇进出口有限公司等。 （2）镍氢电池 虽然性能好于铅酸电池，但含有重金属，使用遗弃后对环境会造成污染。镍氢电池现主要应用于混合电动车。2011年HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。 世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远、力可兴、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。HEV用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为Primearth电动车能源公司（PEVE)和三洋电机，由于松下和三洋合并，而松下的湘南工厂卖给了中国科力远。因此，大型镍氢电池已主要由松下生产。 （3）锂电池 传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的问题。目前，越来越多的汽车厂家选择采用锂电池作为新能源汽车的动力电池。 当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力锂电池汽车，如美国福特、克莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国Courreges、Ventury等。而国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动力和纯电动汽车中搭载动力锂电池。 锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压平稳、贮存寿命长(相对其他的蓄电池)。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击(压)等滥用实验(ABUSE TEST)，均无危险发生。锂离子电池与Cd-Ni，MH-Ni电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比Cd-Ni电池优越;它的自放电率远比MH-Ni电池低。当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格也比较高等。 （4）燃料电池 简单地说，燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 目前国内燃料电池的生产厂商有北京金能燃料电池有限公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、大连新源动力股份有限公司、江苏华源氢能科技发展有限公司等。 二、电池的比较: 上图为新能源电池性能比较 作为电动汽车最新也是最佳的车用蓄电池选择，锂离子电池相对于镍氢电池与铅酸电池有以下十个优点: 1)锂离子电池单体标称电压高达3.6V，是镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍。 2)锂离子电池重量轻，比能量大，高达150W．h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，这个特点是锂离子电池作为车用动力蓄电池的一个十分大的优势。 3)锂离子电池体积小，高达400W?h／L，因此体积是相同能量的铅酸电池的二分之一到三分之一，提供了更合理的结构和更美观的外形的条件，设计空间和可能性，为电动汽车合理高效的整车布置保证。 4)锂离子电池循环寿命长，循环次数可达1000次，以容量保持60%计算，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3～5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍。 5)锂离子电池自放电率低，每月不到5%，是镍氢电池的六分之一。 6)锂离子电池允许工作温度宽，低温性能好，锂离子电池可在一20～55℃之间工作。 7)锂离子电池无记忆效应，而镍氢电池有轻微的记忆效应。所以锂离子电池每次充电前不必像镍氢电池一样需要放电，可以随时随地进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放。 8)锂离子电池中基本不存在有毒物质，无污染，比铅酸电池绿色环保。 9)锂离子动力电池的主要材料锂(Li)、锰(Mn）、铁（Fe）、钒（V）等在我国都是富产资源，为锂电汽车提供了材料保证，也对成本的控制起到相当大的作用。 10)我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的产业链．锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟。 三、新能源汽车电池发展趋势： 盖世汽车网认为：在发展新能源汽车上，镍氢电池技术最成熟，未来3年内仍将是新能源车的主流，之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下，5年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。 第二部分：电池管理系统BMS 一、技术背景  电池作为动力来源，必须串联使用才能达到电压要求，而多个电池串联使用一段时间后，电池内阻和电压产生波动，单体电池的状态差异会逐渐显现出来，不断循环的充放电过程加剧了单体电池之间的不一致性。电池成组后，大功率充放电时，电池组发热，在电池模块内形成一定的温度梯度，使各单体电池工作时环境温度不一致，将削弱单体电池间的一致性，降低电池组充放电能力。例如，磷酸铁锂电池的单体电芯循环寿命可以达到3000次以上，然而成组后，由于各种原因导致的不一致性，整体循环寿命很难达到2000次。 此外，大规模储电系统中电池成本约占总成本的一半。串联成组的电池系统，只要其中一节失效，如不及时发现，整串电池都会跟着报废。损失的不仅仅是昂贵的电池，由于电池状态不确定性造成的系统瘫痪、数据丢失，后果不堪设想。 为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效地管理和控制。电池管理系统对电池组的使用过程进行管理，对电池组中各单体电池的状态进行监控，可以维持电池组中单体电池的状态一致性，避免电池状态差异造成电池组性能的衰减和安全性问题。电动汽车用电池集成系统对电池的管理提出了更高的要求： ·电源及动力系统的集总分布式、层次化，模块，从而提高电池集成系统的寿命 ·电池的温度检测和热管理 ·电池的健康状况和剩余电量的估算和显示 ·在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技术含量 ·动力总成技术就是在保证电池在安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保证电池的性能，提高电池的寿命 ·高可靠的通讯 二、技术原理  电池管理系统实行两级控制架构：针对电芯的电池管理单元（BMU）和针对电池模块的集中管理单元（CMU）。 BMU负责电池模块内电芯级别的控制，包括电芯电压和温度信号监控、均衡控制、荷电状态（SOC）估算、电池健康状态（SOH）估算和热管理控制。电芯状态数据通过CAN总线传输到CMU。 CMU负责模块级别的控制，包括系统继电器的控制、告警信号输出、与外部设备的输入输出。CMU汇总串联电池组中所有电芯的状态信息，包括电压、电流、温度、SOC、SOH，经触摸屏显示，或通过RS485与PC计算机通讯，用于系统配置和故障诊断。CMU与BMU和外部设备之间均通过CAN总线通讯，提高系统的可靠性。 图1电池管理系统结构示意图 三、技术特点  1.采用分布式测量方式，通过滤波电路和软件算法，提高采样精度。采用分布式测量的方式实现电压、温度等物理量的精确测量。每个BMU可以同时监控6、8或12个串联电芯的电压、温度、内阻等信号。温度监测点可扩展到16个，包括电芯的极耳温度、电路板功率器件的温度和电池模块中的空气温度。CMU检测串联电池组的电流信号。通过滤波电路和软件算法等，提高采集精度，为后续工作提供精确数据。 图2信号采集结构图 2．采用全程动态均衡方式，提高均衡效率，缩短均衡时间，减少能量损耗。以单体电池为均衡单元，在充放电过程中都能够实现均衡功能，最大均衡电流为3A。此种均衡方案与常用的被动式均衡方案相比，热损耗小，能量转换效率高。多个电池可同时均衡，提高了均衡速度，缩短了均衡时间。并且突破传统的均衡控制策略，实现以单体电池为单元的均衡控制，解决目前电池模块内部各串联单体电池之间均衡容易实现而电池模块之间均衡困难的问题。 图30.2C充电时电压变化趋势（未均衡）      图40.2C充电时电压变化趋势（均衡） 3.采用控制策略与强制风冷相结合的电池组热管理技术，显著提高电池散热效果。研究电池温度特性和电池单体的热参数，通过控制策略，使每个电池单体、电池包、储能单元处于相对均匀及安全的热环境中，保证系统的安全及有利于发挥电池体系的最佳性能。 4.采用实时校正的SOC估算方法，有效提高SOC估算精度。采用综合考虑电池内阻、温度、循环寿命等因素对SOC估算结果的影响的方法，建立多种算法相结合的SOC估算模型，提高SOC估算精度。并根据能量供需关系建立SOC短期预测，对估算过程进行全程动态校正，进一步提高估算精度。 图5不同倍率下电池放电曲线      　图6电池电压与SOC对应曲线 四、技术分布 （1）驱动电池的充放电控制系统 该技术方向可进一步分为充电装置（占46%）、分布式控制（占20%）和充电平衡控制和稳压（占34%）三个子方向。 在充电平衡控制和稳压技术子方向，多体现在旁路电路设计方面，而我国电动汽车行业在这些方面并无明显优势。 分布式控制技术方向是近年新兴的研发方向，其难点在于控制的稳定性和实现成本。我国目前具有较低的人力资源成本和生产成本，因此如果在这个方向上有所突破，必能在电动汽车电池管理系统领域中做出相当的成绩。 （2）充电方法 该技术方向可进一步分为根据电池端电压的值判断充电进程的方法（占62%）和其他方法（占38%）两个子方向。 电池充电方法的领军企业以日本SONY、TOYOTA等公司为代表。由于电池充电方法研发成本高、周期长。 根据电池端电压的值判断充电进程的方法是目前最成熟、最可靠的方法。我国南客、比亚迪等公司在此方向具有一定的实力。目前，该方向的研究趋向边缘化，即趋向于对现有技术的细节做出种种改进。其他方向一般是出于另辟蹊径考虑而做出的，这些非主流的技术方向目前距离大面积推广应用还存在相当差距，有些甚至仍然停留在实验室环境中。 （3）充放电安全保护 该技术方向进一步分为通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向（占56%）和依据非电压参数方法方向（占44%）两个子方向。 通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向在技术思路上是成熟的。 依据非电压参数方法方向发展很快，技术方案繁杂。 （4）电池控制系统及方法 该技术方向进一步分为侧重控制原理的技术方案（占62%）、侧重对电路结构和系统组成方面的技术方案（占38%）两个子方向。