纯电动汽车电池管理的开发与应用

字木交i赢 E墨王墨盈童置互四墨墨墨圆理论，研发，设计，翻造■■■—■■■■●—●●—■●■—■■■■■■■●■■■■●■●——■■■■l 纯电动汽车电池管理的开发与应用 丁更新1．2。林巨广1，沙伟2，许华· (1．合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009；2．安徽江淮汽车技术中心电控技术部，合肥230009) 萼 ?唧 摘要：简要介绍了搭载磷酸铁锂电池的电动汽车电池管理系统与整车的关系， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了磷酸铁锂电池的充放电特性，阐 述了电池管理系统的结构，对于电池电羹(SOC)的估算做出阐述，根据应用经验估算出电池可循环使用寿命(SOH)，通 过大量实验数据说明了电池的充放电特性，这些特性对于电池管理系统的开发具有积极意义。 ? 关键词：电动汽车：磷酸铁锂：电池电量；电池可循环使用寿命：最大充放电电流 j中图分类号：TP215 文献标识码：A 文章编号：1002—2333(2011)04—0008—03． ； j +一≠ ～‰ TheExploitationandApplicationonElectricVehicleBatteryManagementSystem DINGGeng-xin”，LINJu-guan91，SHAWei2，XUHual (1．SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HehiUniversityofTechnology，Hefei230009，China； 2．ElectronicControlTechnologyDept，AnhuiJianghuaiAutomobileTechnologyCenter，Hefei230009，China) Abstract：Theessaymainlyrecommendstherelationshipofbatterymanagementsystemofphosphoricacidironof lithiumbatteryandvehiclecontrolsystemandtheworkingcharacteristicofthebattery，andintroducestheconstruction ofbatterymanagementsystemandarithmeticofstateofcharge(SOC)，thestateofhealth(SOH)canbeestimatedbased ontheexperience．Thepaperalsoexpatiatesthespecialityofchargeanddischargestate，whicharecriticaltOthe explorationofbatterymanagementsystem． Keywords：electricvehicle；phosphoricacidironoflithiumbattery；stateofcharge；stateofhealth；maxmalchargeand dischargecurrent 1引 言 随着汽车产量的大幅提升，汽车能源问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 逐渐显现， 汽车也需要有一种可移动能源。随着电化学技术的发展， 电池作为可移动能源为电动汽车的能源问题提供了一种 可行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 目前，还没有任何一种单体电池可为电动汽车提供 足够的功率需求。电池管理系统(BMS)正是电池成组技 术的典型应用。车辆是一运行工况极其复杂的设备，同时 又具有搭载乘客的安全要求，因而电池应用于车辆上必 须考虑高压安全、可靠、舒适等多种要求。目前国内汽车 级电力功率器件受到T艺及 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 性能的限制，轿车用的 动力电池电压约为330V，要获得如此高的电压就必须依 赖于电池成组技术。同时对于电动汽车电子元器件的选 型较为苛刻，要保证安全特性。还需依赖于车内通讯系 统，使得车内各设备协调地T作于各自的安全工作区。电 池及电池管理系统是电动汽车的三大核心技术之一， BMS的技术难点在于电池电量SOC、电池循环寿命 SOH、最大充放电电流的计算及绝缘电阻的监测“]。 2电池管理系统与整车关系 电动汽车内与动力传动相关的部件包括点火锁、接线 盒(HighVoltageBox)、整车控制器(VehicleControl Unit)、驱动电机(TM)、电机控制器(PowerControlUnit)、 直流转换器(DCDC)、电池(Battery)、电池管理系统 (BMS)、车载充电器(OnBoardCharger)等。其中电机控 制器、电池管理系统、整车控制器、车载充电器呵作为收 8 I机械工程师2011年第4期 发节点，通过CAN总线连接[2】，各节点可经过相互通讯知 晓其它部件丁作状态，以使整车系统处于高效可靠的工 作状态。 2．』 电池管理系统组成及工作状况 电池管理系统一般包括有电池单体电压、温度信号 采集模块(BMU模块)、总电流及总电压信号采集模块 (uI模块)、参与与整车的通讯模块(模块一)、高压接触器 控制及电池均衡模块(模块二)[31。高压接触器包括B+接 触器、B一接触器、预充接触器、直流转换器(用于向低压铅 酸电池及车载低压设备供电)接触器及车载充电器接触 器。均衡功能包括电池单体电压及温度均衡两方面，附带 有监测并响应碰撞及电池渗漏的功能，当监测到影响安 全的信号时，系统则立即切断高压电供给。BMU主要用 于采集电池单体的电压及温度等信息，通过相应接口上 传至模块二，经过控制策略算法，实现各接触器的动作， 从而使电池管理系统进入不同的丁作模式。 2．2工作模式 电池管理系统可工作于5种丁作模式下：下电模式、 准备模式、放电模式、充电模式及故障处理模式。 (1)下电模式 下电模式是整个系统的低压与高压部分处于不工作 状态的模式。在下电模式下，电池管理系统控制的所有高 压接触器均处于断开状态；低压控制电源处于不供电的 状态。下电模式属于省电模式。 (2)准备模式 万方数据 字木交；赢 ——●■■■■—■——■——■—■——●——●——●■—■■■——■——一理论，砥发，设计，砑童墨宦盈霉盔蕾盈互互墨叵墨团 准备模式下，系统所有的接触器均处于未吸合状态。 在该模式下，系统可接受外界的点火锁、整车控制器、电 机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受 CAN报文控制的低压信号来驱动控制各高压接触器，从 而使电池管理系统进入所需工作模式。 (3)放电模式 当电池管理系统检测到点火锁的高压上电信号 Key—ST信号后，系统将首先闭合B一接触器’4】，由于电机 是感性负载，为防止过大的电流冲击，B一接触器闭合后， 即闭合预充接触器进入预充电状态；当预充电容两端电 压达到母线电压的90％时，立即闭合B+接触器并断开预 充接触器进入放电模式。 目前轿车常用的低压电源由一12V铅酸蓄电池提供， 不仅可为低压控制系统供电，还需为助力转向电机、雨刮 电机、安伞气囊及后视镜调节电机等提供电源。为保证低 压蓄电池能持续为整车控制系统供电，低压蓄电池需有 充电电源，而直流转换接触器的开启即可满足这一需求。 因此，当电池系统处于放电状态时，打开B+接触器后即 闭合直流转换器接触器，以保证低压电源持续供电。 (4)充电模式 当电池管理系统检测充电唤醒信号ChargeWakeUp 时，系统即进入充电模式。在该模式下B一接触器与车载 充电接触器闭合，同时为保证低压控制电源持续供电，直 流转换接触器需处于工作状态。 ．‘ 充电模式下，系统不响应点火锁发出的任何指令，充 电插头带来的充电唤醒信号呵作为充电模式的判定依据。 低温下磷酸铁锂电池下不具有很好的充电特性，甚 至伴随有一定的危险性。基于安全的考虑，还应在系统进 入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度 低于O℃时，系统进入充电预热模式，此时可通过接通直 流转换接触器对低压蓄电池供电，并为预热装置供电以 对电池模组预热；当电池包内的温度高于0℃时，系统可 进入充电模式，即闭合B一接触器。 无论在充电状态还是在放电状态，电池的电压不均 衡与温度不均衡将极大地妨碍电池性能的发挥。在充电 状态下，极容易出现电压、温度不均衡的状态，充电过程 中可通过电压比较及控制电路，使得电压较低的单体电 池充电电流增大，而让电压较大的电池单体充电电流较 小，进而实现电压均衡的目的。温度的不均匀性也将大大 降低电池包的使用寿命。当电池单体温度传感器监测出 各单体电池温度不均衡时，可选用强制风冷的方式，实现 电池包内气流的循环流动，以达到温度均衡的目标。 (5)故障模式 故障模式[5j是控制系统中常出现的一种状态。由于车 用电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各 种相应模式总是采取“安伞第一”的原则。电池管理系统 对于故障的响庇还需根据故障等级而定，当其故障级别 较低，系统可采取报错或发出轻微报警信号方式告知驾 驶人员；而当故障级别较高，甚至伴随有危险时，系统将 采取断开高压接触器的控制策略。 电压蓄电池是整车控制系统的供电来源。无论是处 于充电模式、放电模式还是故障模式，直流转换接触器的 闭合都可使得低压蓄电池处于充电模式，从而低压控制 系统正常工作。 3电池主要参数及充放电特性 电池主要参数包括：容量、SOC、SOH、单体电压、充放 电过程中电池的最高及最低温度、绝缘电阻、充放电电 流、总电压等。 目前较为理想的车用电池正极材料为磷酸铁锂【6】，这 一类型电池可表现出常温下具有较长的使用寿命和相对 较大的充放电倍率能力，而在高低温状态下却无法表现 出较为优越的性能，在较高和较低温度下进行大电流充 放电时的安全性无法得到保证，因而在低温环境下对电 池进行充放电时需进行预热处理，一般来说磷酸铁锂电 池的最佳工作温度范围0℃为一50℃。锂离子电池的深度 充放电会直接影响使用寿命，因而应尽量保证电池处于 机械工程师2013年第4期l9 万方数据 孝木交；赢 墨臣盈翟峦蕾盈互正圈宦躅理论／研发／设计，钶叠—●●■———■—■■—■——■■■—■■—●■——●●■■■■■—■■一 电池单体电压，v 3．40 3．35 3．30 3．25 3．20 3．15 3．10 3．00 2．95 0％ 20％40％60％80％100％ SOC(电鼍百分比) 图4磷酸铁锂单体电池充电特性曲线 浅充放电状态。 电池SOC值随单体电压值变化的总趋势为SOC值 随单体电压值的增加而增加。但在SOC值为20％～85％ 范围的电压值变化并不明显，利用安时积分法估算电量 时，由于每一时刻充放电效率及累计误差都无法准确估 计，因而很难获得精确的SOC值。 充电状态下，电量随电压的增长呈现上升趋势，为防 止电池过充，当电池电压高于设定值时，充电器接触器即 断开。由于电荷累计效应的影响，电池电压又会有小幅度 回落。 电池单体电压，v 3．40 3．35 3．30 3．25 3．20 3．15 3．10 3．00 2．95 100％80％60％40％20％O％ SOc(电量百分比) 图5磷酸铁锂单体电池放电特性曲线 放电状态下，磷酸铁锂电池的单体电压值随着SOC 的减小而降低。为防止电池的过放电，当电池端电压低于 预设值时，B+接触器即断开，同样由于电荷累积效应，电 压随后又有小幅度回升。 无论电池处于充电还是放电状态，在电量值为20％一 85％范围内，SOC值的计算以安时积分法为主，辅助以人 工神经网络和模糊控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。在0％～20％与85％一100％ 范围内采用电压修正法估算。通常这种方式下的SOC的 计算精度可控制在5％以内。 SOH是用于表征电池工作是否可正常t作的一个重 要指标。电池健康状况将直接关系电池性能。当SOH状 态较差时，电池可能已经处于失效状态。 电池包失效的方式包括电池单体电压波动较大和电 池包蓄电容量急剧下降两种。单体电池失效常出现充电 瞬间充满，放电又瞬间放完的现象。SOH与电池单体的状 态关系极其密切。单体的容量骤然下降也将导致整个电 池包的储电容量急剧下降。 ’ 绝缘电阻是反映电池用电安全的重要方面，绝缘电 阻的监测町通过分别测量电池正负极到车身的电阻值尺， 和尺：，将二者相加即为绝缘电阻值。根据人体所能承受的 电压范围，当监测到绝缘电阻小于500IW时，电池管理 10l机械工程师2011年第4期 系统且11x寸驾乘人员做出安全警告或做出切断高压继电器 动作。 电池在不同的SOC状态下可提供的最大充放电能 力不同。从图中可以看出，剩余电量较高时，最大可放电 能力较强，表现为大电流放电时，电池电压下降不明显。 而此时的最大可充电能力较弱。当电池电量较低时，最大 可放电能力较弱，而最大可充电能力较强。二者在任何电 量状态下均呈现此消彼长的趋势：引。 4结论 本文简要介绍了电池的重要工作特性，并根据这些 特性阐述了电池管理系统的结构，作为电动汽车构造上 极为重要的组成部分，电池管理系统需要参与整车通讯。 对电池管理系统的几种T．作模式做r简要分析，同时通 过大量实验及阐述说明了电池的重要充放电工作特性。 车用电池管理系统最大要求是安全的要求。文章将电池 所能遇到的一些极端-T况做了简要分析及说明，同时给 出了简要的控制处理策略，因而本文所提出的方案对实 际工程应用具有很强的参考价值。 [参考文献] [1]齐国光，李建民，郏航．电动汽车电量计量技术的研究[J]．清华 大学学报(自然科学版)，1997．23(Z3)：16-23． [2]张维勇，时伟，于春艳．星型CAN网络架构的研究与设计[J]．合 肥丁业大学学报(自然科学版)，2008。31(Z9)：872—873． [3]刘灵芝，镡离f电池管理系统研究[J]．安庆师范学院学报(自然 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