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    純電動汽車電池管理的開發與應用

    日期:2022-01-08 10:23
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    摘要:
    純電動汽車電池管理的開發與應用
    簡要介紹了搭載磷酸鐵鋰電池的電動汽車電池管理系統與整車的關系,分析了磷酸鐵鋰電池的充放電特性,闡述了電池管理系統的結構,對于電池電量(SOC)的估算做出闡述。
    1 引言
    隨著汽車產量的大幅提升,汽車能源問題逐漸顯現,汽車也需要有一種可移動能源。隨著電化學技術的發展,電池作為可移動能源為電動汽車的能源問題提供了一種可行方案。
    目前,還沒有任何一種單體電池可為電動汽車提供足夠的功率需求。電池管理系統(BMS)正是電池成組技術的典型應用。車輛是一運行工況極其復雜的設備,同時又具有搭載乘客的可靠要求,因而電池應用于車輛上必須考慮高壓可靠、可靠、舒適等多種要求。目前國內汽車級電力功率器件受到工藝及材料性能的限制,轎車用的動力電池電壓約為330V,要獲得如此高的電壓就必須依賴于電池成組技術。同時對于電動汽車電子元器件的選型較為苛刻,要保證可靠特性,還需依賴于車內通訊系統,使得車內各設備協調地工作于各自的可靠工作區。電池及電池管理系統是電動汽車的三大核心技術之一,BMS 的技術難點在于電池電量SOC、電池循環壽命SOH、較大充放電電流的計算及絕緣電阻的監測。
    2 電池管理系統與整車關系
    電動汽車內與動力傳動相關的部件包括點火鎖、接線盒(High Voltage Box)、整車控制器(Vehicle Control Unit)、驅動電機(TM)、電機控制器(Power Control Unit)、直流轉換器(DCDC)、電池(Battery)、電池管理系統(BMS)、車載充電器(On Board Charger)等。其中電機控制器、電池管理系統、整車控制器、車載充電器可作為收發節點,通過CAN 總線連接,各節點可經過相互通訊知曉其它部件工作狀態,以使整車系統處于高效可靠的工作狀態。
    2.1 電池管理系統組成及工作狀況
    電池管理系統一般包括有電池單體電壓、溫度信號采集模塊(BMU 模塊)、總電流及總電壓信號采集模塊(UI 模塊)、參與與整車的通訊模塊(模塊一)、高壓接觸器控制及電池均衡模塊(模塊二)。高壓接觸器包括B+接觸器、B-接觸器、預充接觸器、直流轉換器(用于向低壓鉛酸電池及車載低壓設備供電) 接觸器及車載充電器接觸器。均衡功能包括電池單體電壓及溫度均衡兩方面,附帶有監測并響應碰撞及電池滲漏的功能,當監測到影響可靠的信號時,系統則立即切斷高壓電供給。BMU 主要用于采集電池單體的電壓及溫度等信息,通過相應接口上傳至模塊二,經過控制策略算法,實現各接觸器的動作,從而使電池管理系統進入不同的工作模式。
    2.2 工作模式
    電池管理系統可工作于5種工作模式下:下電模式、準備模式、放電模式、充電模式及故障處理模式。
    (1)下電模式
    下電模式是整個系統的低壓與高壓部分處于不工作狀態的模式。在下電模式下,電池管理系統控制的所有高壓接觸器均處于斷開狀態;低壓控制電源處于不供電的狀態。下電模式屬于省電模式。
    (2)準備模式
    準備模式下,系統所有的接觸器均處于未吸合狀態。在該模式下,系統可接受外界的點火鎖、整車控制器、電機控制器、充電插頭開關等部件發出的硬線信號或受CAN 報文控制的低壓信號來驅動控制各高壓接觸器,從而使電池管理系統進入所需工作模式。電池管理系統高壓接觸器
    (3)放電模式
    當電池管理系統檢測到點火鎖的高壓上電信號Key_ST 信號后,系統將首先閉合B-接觸器,由于電機是感性負載,為防止過大的電流沖擊,B-接觸器閉合后,即閉合預充接觸器進入預充電狀態;當預充電容兩端電壓達到母線電壓的90%時,立即閉合B+接觸器并斷開預充接觸器進入放電模式。
    目前轎車常用的低壓電源由-12V 鉛酸蓄電池提供,不僅可為低壓控制系統供電,還需為助力轉向電機、雨刮電機、可靠氣囊及后視鏡調節電機等提供電源。為保證低壓蓄電池能持續為整車控制系統供電,低壓蓄電池需有充電電源,而直流轉換接觸器的開啟即可滿足這一需求。
    因此,當電池系統處于放電狀態時,打開B+接觸器后即閉合直流轉換器接觸器,以保證低壓電源持續供電。放電模式
    (4)充電模式
    當電池管理系統檢測充電喚醒信號Charge Wake Up時,系統即進入充電模式。在該模式下B-接觸器與車載充電接觸器閉合,同時為保證低壓控制電源持續供電,直流轉換接觸器需處于工作狀態。
    充電模式下,系統不響應點火鎖發出的任何指令,充電插頭帶來的充電喚醒信號可作為充電模式的判定依據。
    低溫下磷酸鐵鋰電池下不具有很好的充電特性,甚至伴隨有一定的危險性?;诳煽康目紤],還應在系統進入充電模式之前對系統進行一次溫度判別。當電池溫度低于0℃時,系統進入充電預熱模式,此時可通過接通直流轉換接觸器對低壓蓄電池供電,并為預熱裝置供電以對電池模組預熱;當電池包內的溫度高于0℃時,系統可進入充電模式,即閉合B-接觸器。
    無論在充電狀態還是在放電狀態,電池的電壓不均衡與溫度不均衡將極大地妨礙電池性能的發揮。在充電狀態下,極容易出現電壓、溫度不均衡的狀態,充電過程中可通過電壓比較及控制電路,使得電壓較低的單體電池充電電流增大,而讓電壓較大的電池單體充電電流較小,進而實現電壓均衡的目的。溫度的不均勻性也將大大降低電池包的使用壽命。當電池單體溫度傳感器監測出各單體電池溫度不均衡時,可選用強制風冷的方式,實現電池包內氣流的循環流動,以達到溫度均衡的目標。充電模式
    (5)故障模式
    故障模式是控制系統中常出現的一種狀態。由于車用電池的使用關系到用戶的人身可靠,因而系統對于各種相應模式總是采取“可靠**”的原則。電池管理系統對于故障的響應還需根據故障等級而定,當其故障級別較低,系統可采取報錯或發出輕微報警信號方式告知駕駛人員;而當故障級別較高,甚至伴隨有危險時,系統將采取斷開高壓接觸器的控制策略。
    電壓蓄電池是整車控制系統的供電來源。無論是處于充電模式、放電模式還是故障模式,直流轉換接觸器的閉合都可使得低壓蓄電池處于充電模式,從而低壓控制系統正常工作。
    3 電池主要參數及充放電特性
    電池主要參數包括:容量、SOC、SOH、單體電壓、充放電過程中電池的較高及*低溫度、絕緣電阻、充放電電流、總電壓等。
    目前較為理想的車用電池正極材料為磷酸鐵鋰,這一類型電池可表現出常溫下具有較長的使用壽命和相對較大的充放電倍率能力,而在高低溫狀態下卻無法表現出較為優越的性能,在較高和較低溫度下進行大電流充放電時的可靠性無法得到保證,因而在低溫環境下對電池進行充放電時需進行預熱處理,一般來說磷酸鐵鋰電池的*佳工作溫度范圍0℃為~50℃。鋰離子電池的深度充放電會直接影響使用壽命,因而應盡量保證電池處于淺充放電狀態。
    磷酸鐵鋰單體電池放電特性曲線
    電池SOC 值隨單體電壓值變化的總趨勢為SOC 值隨單體電壓值的增加而增加。但在SOC 值為20%~85%范圍的電壓值變化并不明顯,利用安時積分法估算電量時,由于每一時刻充放電效率及累計誤差都無法準確估計,因而很難獲得**的SOC 值。
    充電狀態下,電量隨電壓的增長呈現上升趨勢,為防止電池過充,當電池電壓高于設定值時,充電器接觸器即斷開。由于電荷累計效應的影響,電池電壓又會有小幅度回落。磷酸鐵鋰單體電池放電特性曲線

    放電狀態下,磷酸鐵鋰電池的單體電壓值隨著SOC的減小而降低。為防止電池的過放電,當電池端電壓低于預設值時,B+接觸器即斷開,同樣由于電荷累積效應,電壓隨后又有小幅度回升。
    無論電池處于充電還是放電狀態,在電量值為20%~85%范圍內,SOC 值的計算以安時積分法為主,輔助以人工神經網絡和模糊控制方法。在0%~20%與85%~100%范圍內采用電壓修正法估算。通常這種方式下的SOC 的計算精度可控制在5%以內。
    SOH 是用于表征電池工作是否可正常工作的一個重要指標。電池健康狀況將直接關系電池性能。當SOH 狀態較差時,電池可能已經處于失效狀態。
    電池包失效的方式包括電池單體電壓波動較大和電池包蓄電容量急劇下降兩種。單體電池失效常出現充電瞬間充滿,放電又瞬間放完的現象。SOH 與電池單體的狀態關系極其密切。單體的容量驟然下降也將導致整個電池包的儲電容量急劇下降。
    絕緣電阻是反映電池用電可靠的重要方面,絕緣電阻的監測可通過分別測量電池正負極到車身的電阻值R1和R2,將二者相加即為絕緣電阻值。根據人體所能承受的電壓范圍,當監測到絕緣電阻小于500Ω/V 時,電池管理系統即對駕乘人員做出可靠警告或做出切斷高壓繼電器動作。較大可充放電功率、較大可放電 功率與電池剩余電量關系
    電池在不同的SOC 狀態下可提供的較大充放電能力不同。從圖中可以看出,剩余電量較高時,較大可放電能力較強,表現為大電流放電時,電池電壓下降不明顯。而此時的較大可充電能力較弱。當電池電量較低時,較大可放電能力較弱,而較大可充電能力較強。二者在任何電量狀態下均呈現此消彼長的趨勢。
    4 結論
    本文簡要介紹了電池的重要工作特性,并根據這些特性闡述了電池管理系統的結構,作為電動汽車構造上極為重要的組成部分,電池管理系統需要參與整車通訊。對電池管理系統的幾種工作模式做了簡要分析,同時通過大量實驗及闡述說明了電池的重要充放電工作特性。車用電池管理系統較大要**可靠的要求,文章將電池所能遇到的一些極端工況做了簡要分析及說明,同時給出了簡要的控制處理策略,因而本文所提出的方案對實際工程應用具有很強的參考價值。

     

     
     

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