電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 一、前言<BR><BR> 目前，影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的主要因素包括動(dòng)力電池的安全性和使用成本問(wèn)題，延長(zhǎng)電池的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。<BR><BR> 為確保電池性能良好，延長(zhǎng)電池使用壽命，必須對(duì)電池進(jìn)行合理有效的管理和控制，為此，國(guó)內(nèi)外均投入大量的人力物力開(kāi)展廣泛深入的研究。例如，日本青森工業(yè)研究中心從1997年開(kāi)始至今，仍在持續(xù)進(jìn)行（BMS）實(shí)際應(yīng)用的研究[1]；美國(guó)Villanova大學(xué)和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年對(duì)各種類型的電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測(cè)[2]；豐田、本田以及通用汽車公司等都把BMS納入技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。 我國(guó)在十五期間設(shè)立電動(dòng)汽車重大專門研究項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展之后，在BMS方面取得很大的突破，與國(guó)外水平也較為接近。在國(guó)家863計(jì)劃2005年第一批立項(xiàng)研究課題中，就分別有北京理工大學(xué)承擔(dān)的EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊、湖南神舟公司承擔(dān)的EQ6110HEV混合動(dòng)力城市公交車用大功率鎳氫動(dòng)力電池及其管理模塊、蘇州星恒電源有限公司承擔(dān)的燃料電池轎車用高功率型鋰離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔(dān)的解放牌混合動(dòng)力城市客車用鋰離子電池及管理模塊等課題。此外還有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等承擔(dān)的多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)和DC/DC變換器等一大批相關(guān)課題。 二、BMS的基本結(jié)構(gòu) BMS的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為:數(shù)據(jù)采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，再由電子控制單元（ECU）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息?；谏鲜鲈?，美國(guó)托萊多大學(xué)提出一個(gè)典型的BMS基本結(jié)構(gòu)框圖（圖1）[3]。這個(gè)典型的系統(tǒng)把BMS簡(jiǎn)化劃分為1個(gè)ECU和1個(gè)均衡電池之間電荷水平的均衡器（EQU）兩大部分。其中ECU的任務(wù)主要由4個(gè)功能組成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送和控制。ECU也控制均衡器、車載充電器等電池維護(hù)設(shè)備。 圖2是韓國(guó)Ajou大學(xué)和先進(jìn)工程研究院開(kāi)發(fā)的BMS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其相互邏輯關(guān)系[4]。該系統(tǒng)在上述結(jié)構(gòu)中進(jìn)行功能擴(kuò)展，即增設(shè)熱管理系統(tǒng)、安全裝置、充電系統(tǒng)以及與PC機(jī)的通信聯(lián)系。另外還增加與電動(dòng)機(jī)控制器的通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)能量制動(dòng)反饋和最大功率控制。 湖南大學(xué)研發(fā)的電動(dòng)汽車（EV23號(hào)）采用的集中式BMS結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。該BMS系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是采用電壓隔離開(kāi)關(guān)矩陣提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和系統(tǒng)的安全性。其內(nèi)部多條隔離的數(shù)字及模擬信號(hào)輸入輸出通道不僅可以根據(jù)要求靈活使用，而且有效增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。 現(xiàn)在國(guó)外正在開(kāi)展基于智能電池模塊（SBM）的BMS研究，即在1個(gè)電池模塊中裝入1個(gè)微控制器并集成相關(guān)電路，然后封裝為一個(gè)整體，多個(gè)智能電池模塊再與1個(gè)主控制模塊相連，加以其它輔助設(shè)備，就構(gòu)成1個(gè)基于智能電池的管理系統(tǒng)。該BMS成功實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電池模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、模塊內(nèi)電池電量均衡和電池保護(hù)等功能[5]。美國(guó)Micron公司開(kāi)發(fā)的軍用電動(dòng)車輛BMS采用的就是這種結(jié)構(gòu)[6]。 三、BMS功能組成部分概述 綜合國(guó)內(nèi)外的研究工作，目前所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用BMS通常包含以下功能組成部分[7]:數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）的估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）、熱管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信。 （一）數(shù)據(jù)采集 在BMS中，采集到的數(shù)據(jù)是對(duì)電池作出合理有效管理和控制的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)的精度、采樣頻率和數(shù)據(jù)過(guò)濾就非常重要。鑒于電壓、電流、溫度的動(dòng)態(tài)變化特征，采樣頻率通常應(yīng)不低于1次/s[7]。鋰離子電池的安全性要求高，對(duì)電壓敏感，所以必須采集每個(gè)單體電池的電壓，監(jiān)測(cè)到每個(gè)電池的溫度。鎳氫電池和鉛酸電池對(duì)電壓和溫度的采集精度要求不像鋰離子電池那樣高，有時(shí)為簡(jiǎn)化BMS的結(jié)構(gòu)，對(duì)電壓和溫度成對(duì)或成組采集。例如，文獻(xiàn)[8]中研發(fā)的鎳氫BMS在每組由10個(gè)單體電池組成的電池組中設(shè)置5個(gè)電壓測(cè)量點(diǎn)；而對(duì)于溫度測(cè)量，每個(gè)電池組設(shè)置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 hezuo@hewitec.com 鋰離子/鎳氫動(dòng)力電池管理系統(tǒng)提供商 爭(zhēng)做BMS電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)領(lǐng)跑者。真誠(chéng)與您合作。 | |
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 | 回復(fù)：電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) （二）SOC的估算 電池剩余容量（SOC）的確定是BMS中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于電動(dòng)汽車電池在使用過(guò)程中表現(xiàn)的高度非線性，使準(zhǔn)確估計(jì)SOC具有很大難度。傳統(tǒng)的SOC基本估算方法有開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法和安時(shí)法等。近年來(lái)又相繼研發(fā)出許多對(duì)電池SOC的新型算法，例如模糊邏輯算法模型[2]、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷模型[9]、卡爾曼濾波估計(jì)模型算法[10]以及新出現(xiàn)的線性模型法和阻抗光譜法等[11]。 開(kāi)路電壓法適用于測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下的電池SOC，在電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中不宜單獨(dú)使用。開(kāi)路電壓法通常用作其它算法的補(bǔ)充[11]。內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池的內(nèi)阻與SOC之間的聯(lián)系來(lái)預(yù)測(cè)SOC。但電池的內(nèi)阻受多方面的因素影響，測(cè)量結(jié)果易受干擾，可信度不高。再加上這種方法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，因此在實(shí)際應(yīng)用中比較困難[12]。安時(shí)法通過(guò)對(duì)電流積分的方法記錄從蓄電池輸出的能量或者輸入蓄電池的能量，再根據(jù)充放電的起始SOC狀態(tài)，就可以計(jì)算出蓄電池的SOC。該方法最為直接明顯，而且簡(jiǎn)單易行，在短時(shí)間內(nèi)具有較高精度，但長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)有較大的累積誤差[10-11]。 實(shí)際應(yīng)用中，安時(shí)法是目前最常用的方法，且常與其它方法組合使用，如安時(shí)內(nèi)阻法、安時(shí)-Peukert方程法、安時(shí)開(kāi)路電壓法[13]。這些組合算法通常比單純使用安時(shí)法精度更高。各種智能算法和新型算法由于還不是很成熟，有些復(fù)雜算法在單片機(jī)系統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中還不多見(jiàn)，但這是未來(lái)發(fā)展的方向。 為了更準(zhǔn)確估算SOC，在算法中還需要考慮對(duì)電池的溫度補(bǔ)償、自放電和老化等多方面因素。例如，韓國(guó)Ajou大學(xué)和先進(jìn)工程研究院的研究人員對(duì)鎳氫電池SOC的估算中考慮電池的實(shí)際可用容量（包含了對(duì)溫度的考慮）、自放電率和電池老化對(duì)容量的影響，提出了SOC計(jì)算公式[5]為 SOC（%）=100%×（額定容量+容量補(bǔ)償因數(shù)+自放電效應(yīng)+老化效應(yīng)-放電量+充電量）/額定容量 其SOC估算精確度在±3%內(nèi)。 （三）電氣控制 德國(guó)的JossenA等研究人員認(rèn)為電氣控制需要實(shí)現(xiàn)的功能有:控制充電過(guò)程，包括均衡充電；根據(jù)SOC、電池健康狀態(tài)（SOH）和溫度來(lái)限定放電電流[7]。電氣控制中需要結(jié)合所使用的電池技術(shù)和電池類型來(lái)設(shè)定一個(gè)控制充電和放電的算法邏輯，以此作為充放電控制的標(biāo)準(zhǔn)。 在BMS中，均衡充電是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。動(dòng)力電池一般由多節(jié)較大容量單體電池串聯(lián)而成。但由于單體電池之間存在不一致性，這會(huì)降低電池組的使用水平，嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的性能，危及電動(dòng)汽車的安全[14]。例如，在湖南大學(xué)研發(fā)的EV23中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒(méi)有采用均衡充電時(shí)，電池經(jīng)過(guò)多次的充放電之后，10個(gè)單體電池為1組的鎳氫電池組間電壓差最大約為2V。 均衡充電的方案有多種，選擇時(shí)首先要考慮電路復(fù)雜程度和均衡效率。美國(guó)托萊多大學(xué)在其BMS中采用一種集中式、非耗散型的選擇性推進(jìn)均衡器[15]。這種方案是通過(guò)控制繼電器網(wǎng)絡(luò)的切換來(lái)對(duì)所選擇的單體電池進(jìn)行均衡充電，硬件設(shè)備比獨(dú)立均衡簡(jiǎn)單，但效率相對(duì)較低。北京理工大學(xué)在其研發(fā)的電動(dòng)客車BFC6100EV上采用一種電池組均衡充電保護(hù)系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)均衡充電和電池保護(hù)的綜合運(yùn)用[16]。 hezuo@hewitec.com 鋰離子/鎳氫動(dòng)力電池管理系統(tǒng)提供商 爭(zhēng)做BMS電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)領(lǐng)跑者。真誠(chéng)與您合作。 |
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| 回復(fù)：電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) （四）安全管理和控制 電池自身的安全問(wèn)題，尤其是鋰離子電池在過(guò)充電時(shí)會(huì)著火甚至爆炸，因此電池使用的安全問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外各大汽車公司和科研機(jī)構(gòu)當(dāng)前所面臨和必須解決的難題，它直接影響電動(dòng)汽車是否能夠普及應(yīng)用。BMS在安全方面主要側(cè)重于對(duì)電池的保護(hù)，以及防止高電壓和高電流的泄漏，其所必備的功能有:過(guò)電壓和過(guò)電流控制、過(guò)放電控制、防止溫度過(guò)高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。 這些功能可以與電氣控制、熱管理系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)完成。許多系統(tǒng)都專門增加電池保護(hù)電路和電池保護(hù)芯片。例如文獻(xiàn)[5]中的BMS，其智能電池模塊的電路設(shè)計(jì)還具有單體電池?cái)嘟庸δ?。安全管理系統(tǒng)最重要的是及時(shí)準(zhǔn)確地掌握電池各項(xiàng)狀態(tài)信息，在異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或斷開(kāi)電路，防止意外事故的發(fā)生。 （五）熱管理 電池在不同的溫度下會(huì)有不同的工作性能，如鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池的最佳工作溫度為25～40℃。溫度的變化會(huì)使電池的SOC、開(kāi)路電壓、內(nèi)阻和可用能量發(fā)生變化，甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖囟鹊牟町愐彩且痣姵鼐鈫?wèn)題的原因之一。美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的AhmadA.Pesaran指出熱管理系統(tǒng)的主要任務(wù)有:使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)；降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異[17]。使用車載空調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的控制，這也是電動(dòng)汽車常用的溫度控制方法。 （六）數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)通信是BMS的重要組成部分之一。在BMS中，目前數(shù)據(jù)通信方式主要采用CAN總線通信方式。在廈門大學(xué)與清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的BMS中，其內(nèi)部各模塊之間使用一個(gè)內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)，在通信與顯示模塊中還有另外一個(gè)CAN通信接口接入到整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)中[18]。而在同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)試驗(yàn)用于超越二號(hào)燃料電池電動(dòng)汽車上的BMS中，內(nèi)部模塊采用LIN總線通信，與整車的通信則采用CAN總線方式[19]。 在采用智能電池模塊時(shí)可以選擇使用無(wú)線通信方式，或者通過(guò)電力載波的方式與主控制器通信。這2種通信方式都可以減少BMS的布線，降低電動(dòng)汽車內(nèi)部的電路復(fù)雜程度，但其可靠性和抗干擾能力不如CAN總線。 另外，每個(gè)BMS基本上都留有與計(jì)算機(jī)的通信接口，便于在計(jì)算機(jī)上對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。 四、BMS的未來(lái)研究方向和發(fā)展趨勢(shì) 與電機(jī)、電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，BMS還不是很成熟[20]。BMS作為電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，近年來(lái)已經(jīng)有很大的提高，很多方面都已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但有些部分仍然不夠完善，尤其是在采集數(shù)據(jù)的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。 （1）BMS的設(shè)計(jì)主要有如下技術(shù)難點(diǎn):需要采集的數(shù)據(jù)量大，精度要求高；電池狀態(tài)的非線性變化嚴(yán)重制約了SOC的預(yù)測(cè)精度；內(nèi)部電路復(fù)雜，安全性差，抗干擾能力要求高。 （2）根據(jù)對(duì)BMS的功能要求和目前研究中的問(wèn)題可知，如何把握電池內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律，用更有效的方式和采用更適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)正確估算SOC，減小SOC的估算誤差，仍將是今后研究的重點(diǎn)。 （3）在BMS的安全管理和控制功能模塊設(shè)計(jì)中，如何解決電池自身的安全性問(wèn)題，例如:實(shí)現(xiàn)電池組均衡充電、避免高電壓和高電流的泄漏、防止對(duì)人體造成傷害，尤其是在沖力作用條件下（發(fā)生碰撞時(shí)）對(duì)電池安全性的控制等，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。 （4）目前的很多BMS應(yīng)用某一類型的電池時(shí)效果很理想，但卻難以應(yīng)用到其它類型的電池上。 因此，研究更具有通用性的BMS已經(jīng)成為目前的發(fā)展方向。 |
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