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  綜合各國的電動汽車研究情況,可以發現共同存在的一個現象,即電池是整個電動汽車研究中出問題最多的部件。在電池生產的過程中,電池必須要經過化成檢測工序,即在電池生產過程中需要對電池進行多次充放電才能完成整個電池的生產。

        所以化成控制系統的性能直接影響著鋰電池的技術狀態、使用壽命,并決定著放電時對電網的污染程度。為了滿足電動汽車的實際運行需求,電池管理系統在功能、可靠性、實用性、安全性等方面都做出了重要努力。

       電池管理系統簡介:

電池管理系統(Battery Management System,BMS),電動汽車電池管理系統(BMS)是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶,其主要功能包括:電池物理參數實時監測;電池狀態估計;在線診斷與預警;充、放電與預充控制;均衡管理和熱管理等。

       電池管理系統的應用:

電池管理系統(Battery Management System,BMS)的主要任務是保證電池系統的設計性能:

1)安全性,保護電池單體或電池組免受損壞,防止出現安全事故;

2)耐久性,使電池工作在可靠的安全區域內,延長電池的使用壽命;

3)動力性,維持電池工作在滿足車輛要求的狀態下。

       動力電池的基本概念:

(1)電池容量

電池容量是蓄電池的一個重要性能參數,它表示在一定放電率、溫度、終止電壓等的條件下,電池放出的電量。電池容量用C表示,其單位用安時(Ah)、毫安時(mAh)表示。

(2)充電速率和放電速率

此概念利用電池額定容量和充電時間(放電時間)的比值來表示,可以比較不同電池的充放電速度。

(3)電池的過充

電池的過充即是對電池進行了過度的充電,過充會給電池造成一定的損害。當快接近充電結束的過程時,即電池電量快滿的時候,只能用小電流對電池進行低速率充電。因為只有小電流充電所產生的極化現象較輕,在電池內部積聚的氣體較少,而且給電池散熱的時間充足。

(4)充電終止電壓/放電終止電壓

當蓄電池充滿電時,表示電池極板上的活性物質已經達到飽和狀態,所以在這個時候即使繼續對蓄電池充電,蓄電池的電壓再也不會升高,此時蓄電池的電壓稱為充電終止電壓。類似地,放電終止電壓就是放電時候能達到的最低電壓。

(5)電池的內阻

蓄電池兩端測得的阻值稱為蓄電池的內阻。

(6)電池的生命周期及老化

電池的整個生命周期會經歷以下三個階段:在剛開始使用階段時,容量會增大5%~10%;接下來的階段,容量保持不變;最后一個階段,電池容量開始慢慢減少。這段容量減少的階段就是電池的老化階段。一般來說,當電池容量降到額定容量的80%時,則認為電池壽命結束。

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                        圖1 車用BMS軟硬件基本框架

   電池管理系統的主要組成及功能:

(1)電池終端模塊(主要進行數據采集,如:電壓參數、電流參數、溫度、通信信號等);

(2)中間控制模塊(主要與整車系統進行通訊,控制充電機等);

(3)顯示模塊(主要進行數據呈現,實現人機交互)。

為滿足相關的標準或規范,BMS的這些組成模塊要完成的如下工作:

(1)電池參數檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(防止出現過充、過放甚至反極現象)、溫度檢測(最好每串電池、關鍵電纜接頭等均有溫度傳感器)、煙霧探測(監測電解液泄漏)、絕緣檢測(監測漏電)、碰撞檢測等;

(2)電池狀態估計。包括荷電狀態(SOC)或放電深度(DOD)、健康狀態(SOH)、功能狀態(SOF)、能量狀態(SOE)、故障及安全狀態(SOS)等;

(3)在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號,采用診斷算法診斷故障類型,并進行早期預警。

電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統的傳感器故障、執行器故障(如接觸器、風扇、泵、加熱器等),以及網絡故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等;

(4)電池安全控制與報警。包括熱系統控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后,通過網絡通知整車控制器,并要求整車控制器進行有效處理(超過一定閾值時BMS也可以切斷主回路電源),以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害;

(5)充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊,它能夠根據電池的特性、溫度高低以及充電機的功率等級,控制充電機給電池進行安全充電;

(6)電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據單體電池信息,采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式,盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量;

(7)熱管理。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求,決定主動加熱/散熱的強度,使得電池盡可能工作在最適合的溫度,充分發揮電池的性能;

(8)網絡通訊。BMS需要與整車控制器等網絡節點通信;同時,BMS在車輛上拆卸不方便,需要在不拆殼的情況下進行在線標定、監控、升級維護等,一般的車載網絡均采用CAN;

(9)信息存儲。用于存儲關鍵數據,如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數、故障碼和一致性等;

(10)電磁兼容。由于電動車使用環境惡劣,要求BMS具有好的抗電磁干擾能力,同時要求BMS對外輻射小。

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           圖2 電池管理系統算法框架

  小結

        綜上所述,成熟的電池管理系統應該對電池組進行安全監控及有效管理,提高電池的使用效率,增加續駛里程、延長電池使用壽命、降低運行成本。電池管理系統在電動汽車發展的同時,其技術也取得了長足的進步。


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