新能源汽车电池管理系统设计与优化

2023-09-19路莹

农机使用与维修 2023年9期

路莹

(吉林交通职业技术学院,长春 130000)

0 引言

随着环保意识的日益提高和全球能源消耗的不断增加,新能源汽车成为了人们越来越重要的关注点。电动汽车具有绿色、低碳、节能、环保等诸多优点,其应用前景非常广阔[1-3]。而作为电动汽车的核心部件,电池不仅对电动汽车的续航里程和性能有着重要影响,同时也对电动汽车的使用寿命和安全性能起着至关重要的作用。因此,为了提高电池的使用寿命和安全性能,设计一种高效可靠的电池管理系统(BMS)就显得尤为重要。

BMS是一种专门用于监测、控制和保护电池的系统,其主要功能包括电池状态监测、均衡管理、故障诊断和安全保护等[4-5]。通过BMS系统可以实现对电池的实时监测和控制,以保证电池的稳定运行和延长电池的使用寿命。同时,BMS系统还能有效保护电池,防止电池的过充、过放、过温等故障,从而提高电池的安全性能。

为了使BMS系统更好地发挥作用,需要对BMS进行设计和优化。BMS系统的设计需要充分考虑电池的特性和使用环境,合理选择硬件组成和算法设计,以及进行参数校准和故障处理等方面的工作。BMS系统优化是一个不断完善和提升的过程,需要针对电池的不同特性和应用场景进行不断改进和调整。

本文重点介绍新能源汽车电池管理系统的设计与优化,探讨BMS系统的主要功能和组成部分,讨论BMS的设计方法和优化策略,总结BMS设计与优化的关键技术和挑战,并展望未来BMS系统的发展方向。

1 工作原理及重要性

1.1 工作原理

新能源汽车电池管理系统(BMS)是一种专门用于监测、控制和保护电池的系统,其工作原理主要包括以下几个方面:

1)电池状态监测。电池状态监测是BMS系统的核心功能之一,主要是通过各种传感器对电池的电压、电流、温度、容量等状态进行实时监测,以了解电池的工作状态和健康状况[6]。

2)均衡管理。主要目的是通过调整各单体电池的电压和电流,使电池之间的电荷和容量均衡,从而延长整个电池组的寿命并提高性能。

3)故障诊断。主要是通过对电池的状态信息进行分析和判断,检测出电池组中存在的故障并报警提示。

4)安全保护。主要是通过对电池的状态信息进行监测和控制,预防电池组出现过充、过放、过温等故障,并及时采取相应措施。BMS系统通常采用多种保护措施,如过充保护、过放保护、过温保护、短路保护等,以保证电池组的安全运行[7-9]。

1.2 重要性

随着全球对环保和能源问题的重视,新能源汽车逐渐成为未来汽车行业发展的主流趋势。而作为新能源汽车的核心部件之一,电池的性能和寿命直接影响着整车性能和使用寿命。因此,电池管理系统(BMS)在新能源汽车中显得尤为重要。BMS系统的作用主要有以下几个方面:

1)电池状态监测和管理。BMS系统可以实时监测电池的状态,对电池的电压、电流、温度、容量等参数进行管理和控制,保证电池在最佳工作状态下运行。

2)电池均衡管理。在电池组中,每个单体电池的性能不同,使用寿命不同,如果不进行均衡管理,就会导致电池组的性能下降和寿命缩短。BMS系统可以实现对电池的均衡管理,延长电池组的使用寿命。

3)故障诊断和安全保护。电池组的故障可能会导致车辆的故障和安全问题,BMS系统可以实时检测和诊断电池组的故障,并及时采取相应的保护措施,保证车辆的安全运行。

4)提高电池的能量利用率。通过对电池的状态进行监测和管理,BMS系统可以提高电池的能量利用率,减少能量损失,从而提高整车的续航里程。

2 关键部件组成

新能源汽车电池管理系统硬件组成如图1所示。

图1 新能源汽车电池管理系统硬件组成

2.1 电压采集模块

电压采集模块通过采集每个单体电池的电压数据,实现对电池组的监测和管理。电池组中通常由若干个单体电池串联而成,每个单体电池的电压数据都会对整个电池组的性能和寿命产生影响。

电压采集模块的工作原理比较简单,包括若干个电压传感器和一个数据采集芯片。每个电压传感器负责监测电池组中一个单体电池的电压,并将采集到的数据发送给数据采集芯片。数据采集芯片会将所有单体电池的电压数据进行整合和处理,并将这些数据发送给主控制器进一步分析和处理(图2)。

图2 电压采集原理图

通过电压采集模块采集到的数据,BMS系统能实时监测每个单体电池的电压变化情况,及时发现电池组中可能存在的问题,如电池过放、过充、失衡等情况,并采取相应措施进行管理和保护。

2.2 温度采集模块

温度采集模块通过监测电池组内部的温度变化,实现对电池组的监测和管理。电池的温度变化会对电池的性能和寿命产生较大的影响,因此对电池组内部温度进行实时监测是非常重要的。

温度采集模块的工作原理比较简单,通常包括若干个温度传感器和一个数据采集芯片。每个温度传感器负责监测电池组内部一个区域的温度,并将采集到的数据发送给数据采集芯片。数据采集芯片会将所有温度数据进行整合和处理,并将这些数据发送给主控制器进一步分析和处理。

通过温度采集模块采集到的数据,BMS系统能实时监测电池组内部的温度变化情况,及时发现电池组中可能存在的过热、过冷、失衡等问题,并采取相应措施进行管理和保护。因此,温度采集模块在BMS系统中的作用非常重要,它是确保电池组安全性能和寿命的关键部件之一。

2.3 主控制器

主控制器是整个BMS系统中最核心的组件之一,是实现对电池组进行监控和管理的关键部分。主控制器通过接收和处理来自电压采集模块、温度采集模块、电流传感器等部件的数据,能实时监控电池组的状态和工作情况。

主控制器通常采用高性能的微处理器和专用的BMS芯片,具有较强的计算和控制能力。其能够实现对电池组的充放电控制、SOC和SOH的估算、温度和电压的监测等功能。另外,主控制器还能与整车控制系统进行通讯,实现对整车的全面管理。

2.4 保护回路

保护回路主要作用是保护电池组免受潜在的损坏和故障。保护回路通常由多个保护器件和控制器组成,能及时检测电池组故障,并在必要时采取措施,以保证车辆的安全运行。保护回路的主要功能包括过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护。

2.5 均衡控制模块

均衡控制模块主要作用是实现电池均衡管理。电池组中每个单体电池的特性存在差异,会导致电池之间存在容量和电压不平衡的问题。如果不及时进行均衡处理,这些不平衡问题会加速电池的老化和损坏,缩短电池组的使用寿命。

均衡控制模块通常由多个均衡器和控制器组成,能监测每个单体电池的状态,并根据需要对电池进行均衡处理。常见的均衡处理方法包括将电荷从电压高的电池转移到电压低的电池,或者将电荷从容量大的电池转移到容量小的电池。

通过均衡控制模块的实时监测和均衡处理,可以最大限度地减少电池组内部的不平衡问题,延长电池组的使用寿命,并提高电池组的整体性能。

3 优化策略

3.1 优化均衡控制策略

优化均衡控制策略是新能源汽车电池管理系统优化的重要方向之一。一般而言,均衡控制策略可以分为动态均衡和静态均衡。动态均衡是指在电池组充放电过程中,通过调节电池之间的电流分配,实现电池组内部的动态均衡。静态均衡是在电池组放置静止状态下,通过调节电池之间的电流分配,实现电池组内部的静态均衡。

在优化均衡控制策略时,需要考虑多个因素,包括电池组内部的不平衡程度、电池的充电和放电特性、电池组的使用环境等。常见的优化策略包括基于最大化均衡效率的算法、基于最小化均衡时间的算法、基于模型预测控制的算法等。其中,基于模型预测控制的算法具有较高的均衡效率和较短的均衡时间,因此在实际应用中得到了广泛应用。

3.2 优化充电和放电策略

充电和放电策略对电池组的性能和寿命非常重要。优化充电和放电策略可以最大限度减少电池组的老化和损伤,提高电池组的使用寿命和性能。例如,采用恰当的充电方式和放电深度,能减少电池损耗和电解液蒸发。

3.3 优化温度控制策略

优化温度控制策略也可以通过优化散热设计来实现,例如,在电池组周围设置散热片和风扇,增加通风口等,以提高散热效率和降低电池温度。此外,可以通过控制电池组的充电和放电速率,避免因充放电速率过快导致的过热问题,从而延长电池组使用寿命。同时,BMS系统可以通过温度控制策略来提高电池的安全性能,例如,在电池过热时,可以采取措施降低电池的温度,避免电池的短路和其他故障,保障电池组的安全。