基于电动环卫车锂离子电池管理系统测试技术研究

吴仕平

（江苏苏测智能装备检测有限公司 江苏省南京市 211106）

1 引言

1.1 锂离子电池的发展情况

能源危机和环境污染是当今世界各国面临的两大难题。随着能源危机的加剧，环保意识的加强，人们越来越重视新能源的发展，汽车正在向节约能源的绿色汽车转型。电动汽车以零排放和噪声低等优点已成为节能环保绿色车辆发展的一个重要方向。电动汽车在现阶段所用的电池种类包括铅蓄电池、锂离子电池和镍氢电池[1]。

现阶段应用率最高的技术，最成熟的为铅蓄电池，并且其成本价格也相对较低，但是其蓄电量低，并不能够满足现阶段电动汽车的续航要求，同时使用周期也相对较短，而且在制造过程与使用过程中会对环境造成污染[2]。

镍氢电池由于其单个电压低，为了满足电动汽车的功率电压要求，必须进行多个电池的串联，且镍氢电池对环境温度敏感，加大了电池组温度管理的难度[2]。

锂离子电池因其拥有的诸多良好的优点，如放电电压稳定，自放电率低，工作温度范围宽，无记忆效应，储存寿命长，重量轻，体积小等特点，已经慢慢地代替了传统的镍镉电池及铅酸电池[3]，成为目前主流动力电池。

现阶段电池技术发展及其迅速，正负极材料、制造工艺、电解液配方等都在不断创新，锂电池的能量密度、安全性、使用寿命等与以往相比，都得到了极大的提升，并研发出了多种不同类别的锂电池，比如钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等等[4]。

钴酸锂电池的缺点在于安全性低，并且使用寿命短，制造成本高；锰酸锂虽然在安全性方面有所提升，但在高温状态下使用寿命仍相对较短。磷酸铁锂电池与上述两种相比，无论在循环使用寿命，还是在成本制造、安全稳定性方面都有着明显的优势，因此其是锂电池正极的最理想材料[5]。

1.2 锂离子电池的工作原理

锂离子电池从本质上讲属于锂离子浓差电池，在充电过程，Li+会从正极脱出，然后通过电解质的传导嵌入到负极晶格内，此时负极和正极就会分别处于富锂态和贫锂态，这样补偿电荷就会沿外电路补偿给负极，确保电荷平衡；而在放电时，则是对上述过程的逆反应，Li+从负极脱出，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。正负极材料主要采用层间化合物制作而成，所以在充放电的过程中，Li+直接在层状结构的碳材料和氧化物材料中进行嵌入和脱出，所以在充放电中对层间结构的影响非常小，基本不会出现变化，所以从锂电池的充放电可逆性分析，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应[5]。

磷酸铁锂液态锂离子电池的反应方程式如下：

充电：

放电：

为了满足动力需求，一般采取将数十个或数百个较小容量的单个电池进行并联和串联组合，即构成所谓的锂离子蓄电池组，已达到较高的电压和较大的容量。

1.3 锂离子电池的优点

新能源锂电池有着非常广泛的用途，基本上市面上比较常见的有两轮电动车锂电池、三轮电动车锂电池、四轮电动车锂电池。此外，很多特种设备中也有锂电池，如环卫清扫车锂电池、轨道小火车锂电池、叉车锂电池、房车锂电池等等。目前很多大城市中环卫清扫车的主要驱动动力就是锂电池，这种电池比较节省费用并且也很环保。因此环卫车在使用电池方面对锂电池会优先考虑，电动环卫车锂离子电池的优点主要体现在如下几个方面：

（1）采用锂离子电池的电动环卫车的作业时间持续的更长。锂离子电池的芯储能度相对来说更高，目前已经达到460-600Wh/kg，体机相同的情况下锂离子电池的储能比铅酸蓄电池要高三至五倍。所以电动环卫车使用锂离子电池，环卫车的自重更加的轻便，当充满电之后，其能够保持更长的清扫时间。

（2）采用锂离子电池的环卫车扫地的使用寿命会更长。锂离子电池的显著特征就是其试用期更长就，如果电动环卫车装配的是锂离子电池，那么其扫地的生命周期明显更长。

（3）采用锂离子电池的电动环卫车的温度性能也更加优越。在高温环境下，锂离子电池有更为突出的性能，其工作的范围最低温度可在零下20度，最高则为60度，所以在高温状态下长时间使用电动环卫车对于电池的寿命也不会造成影响。

（4）采用锂离子电池的电动环卫车的安全系数也更高。锂离子电池的电池芯电流比较平稳且电流也较高，因此比较易于构成电原组，即使处于过充或者高温状态下，它也不会像铅酸蓄电池一样产生强氧化性有机物或者是相同构造垮塌发烫，因此锂离子电池的安全系数也更高。

（5）锂离子电池更具环保清洁的性能，因此也更迎合如今国家发展环保产业的需求和趋势。锂离子电池在生产中不会有一些重金属如汞、铅、铬等，因此也不会有污染问题产生，相较于铅酸蓄电池来说，锂离子电池的环保清洁性能更为优越。

电动环卫车选择使用锂离子电池的重要性主要表现在以下几个方面：

（1）防水性。电动环卫车在使用过程中需要充分考虑到防水的问题，如果没有做好电池的防水，非常容易造成电池芯发生短路的情况。

（2）选配的保护板。对于电机功率以及控制器的参数的不同，所以要选择不同的保护板，其主要的作用就是为了保护电池过流、过放以及过充，当出现短路时也能将电路及时地断开，可以有效的保护电池内部组件的安全。而且电池的安全也关系到环卫车辆以及清扫人员的人身安全。

（3）电池组装工艺。锂离子电池的生产和组装工艺对于每个厂家而言都是非常关键的，也是其核心，但是这电池组装工艺方案也不是万能的，其工艺也是在不断演化和进步的，所以出现问题后要针对具体问题进行分析。

2 锂离子电池管理系统工作原理

在现阶段混合动力或者新能源汽车中，锂离子电池系统发挥着极其重要的作用，其直接影响着车辆的运行稳定性，所以必须做好对锂电池的智能化管理[6]。

电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)能够监测电池的电压、充放电电流和电池组温度，能够估测电池的荷电状态(State of Charge，简称SOC)，控制电池均衡充放电，对电池组进行热能管理并且与车载监控系统、充电机通过控制器局域网(Controller Area Network，简称CAN)进行通讯，实现协调和优化充电，使电池处于最佳工作状态，充分发挥电池的功能，延长电池的使用寿命[7][8]。

2.1 锂电池管理系统主要功能

锂电池管理系统是对锂离子电池组进行全方位的实时监测、管理和保护，其主要功能[9]：

（1）锂离子电池组的运行状态监测，包括电池组的荷电状态、电池组及单个电池的电压、电流、温度等；

（2）故障的自动诊断和报警；

（3）电池组的温度调控，包括加热、通风等动作。

（4）高压、漏电保护；

（5）锂离子电池系统与整车多能源管理系统的通讯。

2.2 锂电池管理系统中央处理单元

中央处理单元作为整个电池管理系统的核心和关键，其主要是用于对电池系统中各项参数及数据的实时采集、传输和管理，根据既定的数学模型和管控程序展开相应的运算和状态别，并生成相应的电池管理策略和措施，借助外部CAN总线技术，完成与多能源系统之间的通讯管理，送出荷电状态计算结果以及电池组状态信息[9]。同时，中央处理单元还具有自检、电池故障诊断和安全保护等。中央处理单元控制板如图1所示。

图1：锂电池管理系统中央处理单元控制板

2.3 锂电池管理系统数据处理单元

锂电池管理系统的数据处理单元在线测量锂离子电池组的电压、温度等实时运行数据，进行初步的数据处理、分析和判断，通过内部CAN总线技术，将数据上传至中央处理单元[9]。本文选用的锂离子电池，共有四个电池包，分别由四个采集板实现其数据处理的功能。数据处理单元采集板如图2所示。

图2：锂电池管理系统数据处理单元采集板

2.4 锂电池管理系统人机界面

锂电池管理系统人机界面采用7寸触摸屏，主要页面有两个，一个是系统数据显示页面，另一个是电池单体状态数据页面。

系统数据显示页面的内容有：当前日期、当前时间、SOC值、电池组的电压、电池组的电流、电池组的功率、电池组的温度、最大单体电压及其所在位置、最小单体电压及其所在位置、最大单体温度及其所在位置、最小单体温度及其所在位置、加热器状态、风扇状态、继电器状态、绝缘状态、充电机在线情况、充电状态、警告信息等。

电池单体状态数据页面的内容有：每一个单体电池的电压、温度以及均衡情况。

3 锂离子电池管理系统测试

锂离子电池管理系统测试的主要参数为：

（1）状态参数：电池组容量(SOC)、电池组的电压、单体电池电压、电池组/单体电池电流、温度等。

（2）报警信号：电池组充电过压、过流告警，电池组放电欠压、过流告警，单体电池充电过压告警，单体电池放电欠压告警，单体电池高温告警，环境低温告警，电池组容量过低告警，电池系统绝缘失效告警等。

3.1 锂离子电池管理系统主要参数

本文选用的单体锂离子电池为标称电压3.2V的磷酸铁锂电池。锂离子蓄电池组由四个锂离子电池组串联，每个电池组由12个3.2V、120Ah电池包(每个电池包内部由3个3.2V、40Ah的电池并联)串联组成，电池组的总额定电压为153.6V，额定容量为120Ah，该磷酸铁锂电池系统应用于电动环卫车。

锂离子电池管理系统的主要参数精度为：SOC估算值＜8%，总电压、电流、单体电压＜0.5%，温度±2℃。

3.2 充放电测试

充放电的模式及方式与电池的使用安全和容量都存在密切的关系[5]。本文的锂离子电池管理系统采用恒流充电和恒压充电相结合模式进行分段充电，初期采用恒定电流充电方式，避免了恒压充电刚开始电流过大的现象；当电池端电压超过设定的值后改用恒定电压充电结合涓流充电方式，避免了恒流充电可能导致的过充现象。

标准充电模式：在环境温度20℃±5℃的条件下，以1I3(A，I3为3h率放电电流)恒流充电，当电池组电压达到充电限制总电压n×3.65V(n为电池系统串联电池的个数，本文中n为48)或最大单体电压3.82V时，改为n×3.65V恒压充电，直到充电电流降至0.1I3(A)时停止充电。

快速充电模式：在环境温度20℃±5℃的条件下，以3I3(A)恒流充电，当电池组电压达到充电限制总电压n×3.65V或最大单体电压3.82V时，改为n×3.65V恒压充电，直到充电电流降至0.1I3(A)时停止充电。

放电试验：对电池进行恒流放电，直到电池端电压降低至电池组截止电压n×2.50V或最小单体电压2.50V时，标准放电电流为1 I3(A)。

图3为标准充放电曲线。

图3：标准充放电曲线

图4为不同放电电流下的倍率放电曲线。

图4：倍率放电曲线

从图4中可以得出如下结论：

（1）放电电流越小，放电时间越长；

（2）放电电流大小对放电容量影响不大；

（3）放电电流越大，工作电压越低。

3.3 SOC估算测量

对于电池的剩余容量表达一般采用SOC，也就是核电状态。该参数无法直接进行获取，但是可以利用测量电池的电压、电流、内阻等外部特性参数，并经过相应的公式进行计算，间接获得[5]。SOC是指电池剩余电量Qrem和最大可用电量相比Qmax，即：

目前SOC常用的估算方法有：开路电压法、安培时间积分法、神经网络法、卡尔曼滤波法等[4]。本文中锂离子电池管理系统SOC估算选用的是安培时间积分法和开路电压法相结合的综合估算方法。电池组的SOC变化可以利用安培时间积分法来展开计算分析，并根据开路电压法对SOC初始值标定，对安培时间积分法计算中所产生的累计误差进行修正。

SOC为100%标定：在充电末期，当电池管理系统检测到电池单体最大电压达到3.8V且充电电流小于2A，同时电池总电压大于172.8V时，如果SOC值小于100%，则将SOC修正到100%。

SOC为0%的标定：在放电末期，当电池管理系统检测到电池单体最小电压小于2.5V且能保持5s时，如果SOC值大于0%，则将SOC修正到0%。

在充电期间，当电池管理系统检测到电池组的SOC值由0%充电到100%时，计算出此充电过程的充电Ah数，如果此数值大于120Ah，则电池组额定容量标为120Ah；如果小于120Ah，则电池组额定容量标定为此实际值。

3.4 电池均衡充放电技术

为了获得满足要求的高电压和大容量，电池组一般采取将数个、数十个或数百个较小容量的单体电池进行并联和串联组合。电池组比使用单个电池更容易发生过充和过放现象，且不易发现。

不同单体电池之间都会存在差异，这一差异会体现在电压、内阻、容量等指标之中，同时在经过循环充放电后，这一差异会进一步加剧，其原因有以下几点[10]：

（1）制作工艺方面的影响，同一批次电池在生产中也会出现质量参差不齐的情况；

（2）单体电池自放电率存在较大差异；

（3）电池组在充放电的过程中，受温度、放电效率等的影响也会出现一定差异。

本文中使用的磷酸铁锂电池，在生产过程中对电池的一致性进行了严格的控制，按容量、内阻、自放电搁置电压以及动态特性曲线进行筛选配组。

本文中的锂电池管理系统在电池组的充放电过程中检测到有单个电池处于过充或过放时，保护电路关闭整个充放电电路。数据采集单元选用的是凌力尔特公司生产的LTC6802电池监测专用芯片，采用外部均衡方式实现整个电池系统的均衡充放电管理。

4 锂离子电池的维护与保养

锂离子电动环卫车电池的维护和保养是一个非常重要的问题，寒冷的冬季和炎热的夏季对于环卫电动车电池的使用寿命都是极大的考验。而采取何种电池保养的方式方法也对环卫电动车电池的寿命和使用时间有直接的影响。具体的锂离子电池的维护和保养可以从如下几点进行：

（1）如果在炎热的夏季将电动车长时间在阳光下暴晒，立即充电的话会对电池产生极大的伤害，会造成电池鼓包概率的上升。当电池被暴晒之后，电池的极柱就会爬酸，不可逆硫酸盐化，如果这时充电的话非常容易造成电池鼓包。而且长时间的暴晒也会造成电池的外壳发生变形。因此对于锂离子电池电动环卫车要将其停放在阴凉处。

（2）对锂离子电池进行充电的时候，不要将充电器遮蔽或者将充电器放置在车上，否则很有可能会因为散热不够均匀继而造成电池燃烧起火，最终可能会引发火灾。

（3）确保当电池用完电之后再进行充电，夏季条件允许的话可以在通风透气的地方进行充电。

（4）如果车辆电池没电不能继续使用，继续使用电池会过放电，也会对电池造成严重的损伤，也不能使用快充电站进行充电，否则也会影响电池的寿命。

5 结束语

本文介绍了锂离子电池的工作原理，锂离子电池管理系统的主要功能，并结合一款应用于环卫车的磷酸铁锂电池管理系统重点对锂电池管理系统的充放电测试技术、SOC估算测量、电池均衡充放电技术进行研究。装车运行试验表明该锂电池管理系统在电压测量、电流测量、温度测量、SOC估算等方面都符合要求，系统具有较好的可靠性和实用性。