电动汽车电源管理系统的设计与应用

2024-05-28刘金平

电池 2024年1期

刘金平

(河南省濮阳市职业中等专业学校,河南濮阳 457000)

随着全球气候变化,环境可持续发展备受关注,清洁能源交通方案愈发受到重视。电动汽车凭借零尾气排放和环保特性,成为汽车领域发展的重要力量。在电动汽车技术的演进过程中,电池作为动力来源,扮演着至关重要的角色。电池性能和安全性一直是电动汽车领域发展面临的挑战之一,因此,电动汽车电源管理系统的设计和应用显得尤为关键。该系统不仅是将电能储存并转换为机械能的重点,而且是为了确保车辆安全、提升电动汽车性能和续航里程而精心设计的保障系统。电动汽车电源管理系统的发展,将推动电动汽车行业朝着更为可持续和环保的方向发展,为创造更清洁、更智能的交通方式贡献力量。

由刘琳娇和悦中原主编、机械工业出版社出版的《汽车电源与起动系统构造与检修》一书,对普通和特殊等不同类型蓄电池、交流发电机和电压调节器等汽车发电机相关部件,以及汽车起动系统的构造与检修方法进行了细致分析。

1 电动汽车电源的重要性

汽车电源在车辆设计、制造和维护中扮演着不可或缺的角色,其可靠性和稳定性对于车辆的正常运行和驾驶安全至关重要。汽车电源最重要的功能之一是启动引擎。蓄电池储存能量,在启动时释放大电流以启动发动机。除了启动引擎外,汽车电源还给整个车辆的电气系统提供能量,这些系统的顺利运行,对车辆性能和驾驶安全至关重要。从车灯、音响、空调到电动窗户,几乎所有电子设备都依赖电源供电;电子控制单元也依赖稳定的电源供应来管理和控制车辆的引擎、传输系统和安全系统等。此外,车辆的各种辅助功能也需要可靠的电源支持。电动座椅、加热座椅、全球定位系统(GPS)等功能的正常运行都依赖稳定的电源供应。特别是对于电动汽车来说,电池组是驱动能源,电池组的稳定性等性能直接影响车辆的续航里程和驾驶员的驾驶体验。

2 电动汽车电源管理系统的分类

根据电池组内部结构和管理方式,电动汽车电源管理系统可以分为集中式和分布式两种类型。集中式电动汽车电源管理系统将电源管理单元集中安装在电池组的一个位置,通过单一的控制单元来监测和管理整个电池组。它通常有一个主控制器负责监测电池的各项参数,如电压、温度和电流等,并对电池进行控制和安全保护。集中式电动汽车电源管理系统的设计简单,维护也较为方便,但在大型电池组中可能存在单点故障的风险。分布式电动汽车电源管理系统将多个电源管理单元分布式安装在电池组的不同模块或单体中,每个模块或单体都有自己的电源管理单元进行独立管理。它可以更精确地监测和控制每个单体或模块的状态,更灵活地应对各部分之间的差异。分布式电动汽车电源管理系统能够提高电池组的安全性和稳定性,并在大型电池组中更具优势,但增加了系统的复杂性和维护成本。在实际应用中,根据电池组的结构、功率需求和安全性考量,选择合适的电源管理系统设计是至关重要的。

3 电动汽车电源管理系统的设计与应用

具体而言,电动汽车电源管理系统的设计与应用主要包含电池监控与诊断、电池平衡、充放电控制、热管理和安全保护等内容。

第一,在电动汽车电源管理系统中,电池监控与诊断是确保整个电池组稳定运行的基石。电池监控与诊断环节不仅仅是数据的收集和处理,更是对电池健康状态实时把握和问题预警的关键所在,其精准性和及时性直接影响整个电动汽车系统的运行效率和安全性。电池监控与诊断由传感器实时收集、监测电池的关键参数,如电压、温度、电流,以及状态指标[荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)]等,能够为系统提供电池运行状态信息,帮助系统判断电池组的健康状况。例如,通过监测电池的电压,系统可以了解电池的SOC;通过监测温度数据,系统能够评估电池工作温度范围内的热管理状况;通过监测电流数据,反映电池当前的充放电状态。一旦数据被收集,接下来的关键是数据的精确分析和诊断。系统通过使用先进的算法对数据进行处理和分析,识别出异常情况或潜在问题。例如,系统能够通过数据诊断及时发现过热、过充电或过放电等问题,并作出预警,避免潜在的电池损害。这种实时监测和精准诊断的能力,使得系统能够提前预警并采取必要的措施,防止潜在问题进一步扩大,保障电池组的稳定运行,延长电池组的使用寿命,提高电动汽车的可靠性和安全性。

第二,电动汽车电源管理系统中,电池平衡可以确保电池组的稳定性、可靠性和长期性能,提升整车的续航能力和可靠性。电池组由多只单体电池构成,这些单体电池可能存在微小的性能差异。即使是相同型号和规格的电池,在生产中也会存在些许差异,如容量、内阻或充放电效率等。这些微小的差异会在电池组中产生不同程度的影响,导致单体电池之间的性能和状态不完全相同。在长期使用过程中,由于单体电池的差异性或外界环境影响,某些单体电池的性能可能会出现不同程度的退化。比如,部分电池可能会因为使用频率较高或充放电次数较多而产生更快的容量衰减,而另一部分电池可能保持较好的性能,造成电池组的不均衡问题。为解决此问题,电动汽车电源管理系统需要实施电池平衡措施,确保每只单体电池的充放电均衡。一种常见的方法是使用电源管理系统内置的平衡电路,如电阻、电容或电感器件,通过对单体电池进行主动控制,将电能从电量较高的单体电池分流到电量较低的电池,以实现电池组内部的平衡。该过程需确保每只单体电池在充电时都能接收相近的电流,减少单体之间的差异,最大限度地延长整个电池组的使用寿命,提高整体能量利用率。

第三,电动汽车电源管理系统需要智能管理充放电过程,以确保电池组的安全、性能和寿命,提高整车的可靠性和性能表现,提升电动汽车的市场竞争力和用户体验。对于充电控制,系统需要避免过充电情况的发生。当电池达到最大充电容量时,继续充电会导致电池过压,可能造成电解液的挥发和电池的损坏,因此,系统需要智能监控电池的充电状态,当电池接近满充时,自动切断充电过程,避免过充电。这种精准的控制不仅保护了电池,而且有助于确保车辆整体的安全性。在放电过程中,系统需要避免过放电情况的发生。电池过度放电可能导致电池性能下降甚至损坏,因此,系统需要在电池电量低于安全阈值时,及时停止放电,以确保电池免受过放电的影响。这种智能放电控制不仅可延长电池的使用寿命,而且能确保电池组的稳定性和安全性。

第四,在电动汽车电源管理系统中,热管理至关重要。电池的工作温度直接影响其性能、安全性和寿命,因此,系统需要有效控制和维护电池工作温度。一方面,高温可能会对电池造成严重的损害,包括缩短电池寿命、降低性能甚至引发安全隐患。为了避免高温,系统需要采取措施进行主动冷却,如利用冷却系统、散热器或风扇来降低电池温度。冷却系统需要在电池温度超出安全范围时自动启动,确保电池组在适当温度下工作,保护电池免受损害。另一方面,低温同样会影响电池的性能和可靠性。寒冷环境下,电池的放电能力和充电速度可能受到影响,甚至无法正常工作,因此,系统需要采取措施将电池温度保持在适宜的范围内,如利用加热系统提高电池工作温度,确保电池正常运行。总之,在电动汽车电源管理系统中,热管理不是单纯的温度控制,而是为了确保电池在适宜的温度范围内工作,从而保证其性能和寿命。有效的热管理系统,可以提高电池的可靠性、安全性,并延长电池的使用寿命,保障电动汽车的性能、续航能力和用户体验。

第五,为了应对意外情况,电动汽车电源管理系统需要构建安全保护机制,降低潜在的风险和损失,并在出现碰撞、短路或过载等异常情况时,最大限度地保护电池组和整个车辆系统,保障车辆和乘客的安全。其一,系统需要具备断电保护功能,即在遭遇碰撞或其他意外情况时,能够立即切断电池与车辆其他部件的电力连接。这可以减少电池组和整个车辆系统遭受的损害,并降低发生火灾或其他严重安全问题的风险。其二,系统需要具备隔离功能,即在某只电池单体发生短路或故障时,能够隔离这部分电池,防止故障扩散影响整个电池组。通过隔离故障单元,系统能够保持其他电池单元的正常运行,避免整个系统受到影响,从而提高车辆的整体安全性。其三,系统需要具备报警功能,即能够监测和检测电池组的状态,并在出现异常情况时发出警报。通过及时的报警,系统能够吸引注意并提示车辆驾驶员或维护人员采取相应的措施,从而减轻潜在风险,确保乘客和车辆的安全。

如今,电动汽车电源管理系统以数据收集和监控、数据管理、安全保护等多重功能为支撑,为电动汽车的发展提供了坚实技术支持和可靠保障。《汽车电源与起动系统构造与检修》一书,对电动汽车电源管理系统进行了相关介绍。该书能够帮助读者深入了解汽车电源与起动系统的核心构造和工作原理,以及如何诊断和解决相关问题。