分析纯电动汽车锂离子电池管理系统关键技术

胡浪 乔俊叁

关键词：纯电动汽车 锂离子电池 管理系统 关键技术

纯电动汽车电池使用性能，和电池模块自身性能、电池管理系统有关，合理运用锂离子电池管理系统关键技术，有助于为电池过充、放电管理奠定基础，而且能够延长电池的使用时间，所以合理使用电池管理系统及其关键技术非常必要。

1 锂电池基本结构、主要特性的分析

1.1 锂电池的基本结构

锂离子电池正极材料使用锂化合物，负极应用的为锂碳层化合物，电解液为有机溶液，锂离子电池结构通过正极集流体、正极材料，以及电解液和负极材料、负极集流体等组成[ 1 ]。电池负极、电解液间可形成SEI膜，会消耗大量电池内锂离子，增加电极、电解液界面电阻，所以电压会不同程度下降。需要注意的是，较好的SEI模具存在有机溶剂不溶性特征，允许锂离子自由进出电极，溶剂分子不能穿越，能对溶剂分子公插所致电极破坏加以抑制，便于切实延长电极循环的时间。

1.2 锂离子电池的技术性能、放电特性

锂离子电池、其他电池进行比较，存在环境污染小、使用时间长、自放电率低等优势，因而当前被广泛应用。锂离子电池电压放电早期可在较短时间下降，然后进到平缓下降期，究其原因和放电电流的大小存在联系，电池温度会受到放电时间增加变化影响，放电电压降低与放电深度存在联系[2]。

2 鋰离子电池管理系统情况研究

电池管理系统BMS主要工作，为确保电池系统设计的性能安全性、耐久性及动力，其中安全性表现在加强对电池单体/电池组的保护，能够避免发生安全事故;耐久性体现在电池可靠区域内，有效延长电池应用时间方面;动力性，需确保电池工作达到车辆的需要。MNS通过不同类型传感器、执行器，以及控制器、信号线等方面构成，为达到纯电动汽车的要求BMS需具备电池参数检测、电池状态估计、在线故障诊断和电池安全控制、报警等功能。（1）电池参数检测主要对总电压、电流、单体电池电压、温度、烟雾、绝缘及碰撞等进行检测。（2）电池状态估计即为对荷电状态SOC/放电深度DOD、健康状态SOH、功能状态SOF、能量状态SOE、故障和安全状态SOS等加以估计。（3）在线故障诊断多需对故障类型、故障定位、故障信息输出等方面加以诊断。所谓故障检测即为将采集传感器信号，以诊断算法的方式明确故障的类型，在第一时间进行预警[3]。电池故障指的是电池组、高压电回路和热管理等故障。电池组故障为过压、欠压、过电流，以及接头松动、绝缘降低等故障。（4）电池安全控制、报警，涉及热系统和高压电安全方面控制，实行BMS诊断故障后能借助网络的作用，及时通知整车控制器处理，故此能够有效避免发生高低温、过充、过放等情况。

3 纯电动汽车锂离子电池管理系统关键技术刍议

3.1 采样频率、同步管理系统监管技术信号采样频率、同步对数据实施分析处理存在积极的影响，进行BMS事后需对信号采样频率、同步精度提出明确要求，电池系统信号比较多且电池管理系统主要为分布形式，电流采样、单片电压采样处于各个电路板位置。信号采集期间，各个控制子板信号涉及同步的问题，这对于内阻实时监测算法会构成严重影响，相同单片电压采集子板使用巡检的手段，单体电压间需重视同步，并对不一致性加以深入分析。系统会对各种信号数据采样频率、同步提出不同的要求，对于惯性较大参量的要求不会很高，纯电动车电池放电温度升高数量级在每分钟0.1°C，这个过程应考虑到温度安全监控问题、BMS温度精度温度，将温度采样间隔时间设置为30s。电压、电流信号的变化非常快，对采样频率、同步性会提出明确要求。通过交流阻抗分析得出，动力电池欧姆内阻相应ms级，SEI膜离子传输阻力电压相应10ms级，电荷转移相应在10s级以内。当前，电动车加速过程驱动电机电流会经小——大变化，最大相应时间为0.5s，电流精度在1.2%左右，并且需要考虑到变载工况问题，电流采样频率在200Hz以内。单片信息采集子板电压通道最多数量为24个，纯电动乘用车电池通过100节电池构成，单体电池信号采集会使用的较多采集子板。为使电压保持同步的状态，需严格所有采集子板单体电压采样时间，每个巡检周期控制在20ms左右。此外，子板间同步经发送一帧CAN参考帧获得最理想的效果，数据更新频率>12Hz。

3.2 电池状态估计管理系统关键技术

电池状态涉及电池温度、SOC、SOS、SOH、SOF/SOE等，电池温度估计可为其他状态估计奠定良好基础，而SOC估计容易受到SOH所影响，SOF经SOC、SOH及SOS、电池温度确定，SOE、SOC、SOH及电池温度间的联系紧密。

3.2.1 电池温度估计、管理要点

温度，对于电池性能会构成严重影响，当前可对电池表面温度加以检测，电池内部温度需借助热模型的作用加以估计[4]。一般多会使用电池热模型，主要为零维、一维、二维、三维几个模型，前者主要能对电池充放电温度变化计算，估计精度较高、模型计量非常小，所以可在实时温度估计中应用;一维模型、二维模型、三维模型，均会使用数值方法求解传热微分方程，以此合理划分电池网格，对电池温度场作以合理的计算，这个过程需明确电池结构对于传热构成的影响。一维模型，需考虑到电池在相同方向温度分布、其他方向比较均匀;二维模型应该考虑到电池2个方向温度分布状况，圆柱形电池轴向、径向温度分布，能够明确电池内部温度场情况，主要在薄片电池温度分析中运用;三维模型能够准确显示出方形电池内部温度场，同时仿真精度非常高，不足：计算量非常大，在实时温度估计中应用效果不佳，但可在实验室温度场仿真中使用。为促使三维模型计算结果更加精确，建议借助三维模型温度场对结果进行结算，准确表达电池产热功率、内外温差关系。如此一来，产热功率、电池表面温度估计电池内部温度，均存在BMS应用的价值。通常情况下，锂离子电池工作温度应该保持在18～30°C的范围， 电动汽车工作温度保持在零下30°～45°C，需加强电池热管理在低温时加热、高温时冷却管理[5]。热管理涉及设计、控制方面工作温度控制主要经温元件检测电池各个位置温度，综合温度分布状况对控制电路散热执行器加以管理，这就需要结合温度范围分档控制，插电式混合动力电池热管理多通过主动、被动、不冷却几个模式管理，动力电池温度>预定被动冷却目标温度，被动散热模式启动;温度持续升高到主动冷却温度，可开启主动散热的模式。

3.2.2 SOC估计要点

SOC研究趋于成熟，SOC算法主要包括单一SOC算法、多种单一SOC算法融合算法，前者由安时积分法和开路电压法构成;后者通过修正、加权和卡尔曼滤波等方法组成。（1）安时积分法中荷电状态、起始时刻荷电状态、额定容量、库仑效率分别通过SOC、SOC0、Cn、η表示，放电、充电分别为：1、<1，电流同I表示，充电为负极、放电为正极。起始负荷状态准确条件下，安时积分法可在一段时间内达到精度要求，不足：起始SOC0会对荷电状态估计精度构成直接影响，库伦效率η易受到电池工作状态因素影响，无法确保测量的准确性[6—7]。电流检测精度偏差的话，容易引发累计效应，会对荷电状态精度构成不利影响。（2）开路电压OVC方法的应用，锂离子电池荷电状态、锂离子活性材料嵌入量间的联系紧密，同时和静态热力学存在关联，静置后开路电压能达到平衡电动势。需要注意事项：某种电池OVC、充放电过程有关，比如：充电OCV、放电OCV易产生滞回现象。该种方法的应用荷电状态估计精度非常高，不足：需长时间静置达到平衡的要求，易受到荷电状态、温度因素作用，可在电动汽车驻车状态中应用，不建议进行动态估计。

4 结语

BMS作为纯电动汽车中的重要部分，为延长电动汽车和锂离子电池管理系统的使用时间，需要明确锂电池的结构、放电性能，并且有效运用系统关键技术，进而朝着集成化的方向努力，切实解决SOC估算精度问题，加强能量均衡及充放电管理。