電動汽車電源管理系統(tǒng)探析
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摘要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和能源問題，電池管理系統(tǒng)已然成為了電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章簡要介紹電池管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，BMS的基本架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了電池管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；SOC估計；均衡控制；熱管理
1國內(nèi)外電池管理系統(tǒng)的研究狀況
國外很早就有對于電池管理系統(tǒng)的開發(fā)與使用。國外個別企業(yè)早期開發(fā)的已應(yīng)用在汽車上的電池管理系統(tǒng)，比較好的有聯(lián)電、大陸、德爾福、AVL和FEV等。以往典型的電池管理系統(tǒng)有：德國的BADICHEQ系統(tǒng)與BATTMAN系統(tǒng)；日本豐田汽車開發(fā)的用于混動汽車電池管理系統(tǒng)；美國的特斯拉純電動汽車使用的電池管理系統(tǒng)。國內(nèi)開始研究電池管理系統(tǒng)晚于國外，但發(fā)展迅速，比較好的公司有奇瑞、比亞迪、江淮、北汽等。國內(nèi)高校早期也成功研發(fā)了用于純電動汽車的電池管理系統(tǒng)，成功應(yīng)用于08年奧運(yùn)會純電動大巴。國內(nèi)各大廠商也都各自成功推出自主開發(fā)的BMS產(chǎn)品并應(yīng)用于電動汽車，如奇瑞，比亞迪、北汽等自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)成功的應(yīng)用于各自的車型。國內(nèi)電池技術(shù)和電池管理系統(tǒng)的高速發(fā)展必將能夠帶動中國電動汽車的高速發(fā)展，直至超越國外。
2BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)
2.1電池管理系統(tǒng)的分類及功能
電池管理系統(tǒng)按照硬件結(jié)構(gòu)及功能來分，基本上可分為兩種結(jié)構(gòu)：集中式與分布式。集中式把BMS的所有測量功能直接集成在一個控制器ECU中。分布式設(shè)計一個主控制器和多個從控制器。集中式的優(yōu)點是設(shè)計、結(jié)構(gòu)、走線簡單，成本低；分布式的優(yōu)點是控制靈活，便于擴(kuò)展。電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下內(nèi)容：采集單體電池及電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)并進(jìn)行管理；采集電池信息進(jìn)行SOC估計；對電池組進(jìn)行均衡控制；對電池組進(jìn)行熱管理。
2.2SOC估計的方法
電池荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，它反映電池的剩余電量，預(yù)估續(xù)航里程，精度越高，續(xù)航里程數(shù)越高。下面介紹幾種用的較多的SOC估計的方法：（1）安時積分法，是一種簡單常用的SOC估算方法，但它有明顯的誤差積累需要定期采用其他方法進(jìn)行校正，且SOC的初始狀態(tài)對SOC估計的準(zhǔn)確性也有很大影響。因此，安時積分法較多應(yīng)用于對SOC值精度要求不高的場合，如鉛酸電池作為動力電池的電動汽車的能量管理。若想用于其它高精度較高的估算，則必須結(jié)合其它算法進(jìn)行改進(jìn)，如開路電壓法和卡爾曼濾波法。（2）開路電壓法，它在測量時需要幾個小時恢復(fù)時間才能穩(wěn)定至SOC的對應(yīng)值。因為它在電池充電的初期和末期效果不錯，所以開路電壓常常與其它方法配合，較多地應(yīng)用于對SOC值精度要求較高的場合。（3）卡爾曼濾波法及其改進(jìn)算法因為良好適應(yīng)性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這個方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時可以給出估計的誤差，但對于硬件及電池模型的要求較高，計算量較大，同時卡爾曼濾波吱的前提是假設(shè)所有噪聲為白噪聲，這也是它的一個局限性。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，是一種采用非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計SOC的方法。該方法可以應(yīng)用于各種類型的汽車動力電池，若電池模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得也較好，SOC估算誤差可以達(dá)到小于10%。在實際的使用時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的估算精度在很大程度上會受到訓(xùn)練樣本和訓(xùn)練方法的影響，且易受干擾。（5）支持向量機(jī)，本方法是一種基于支持向量機(jī)的荷電狀態(tài)SOC估算方法，支持向量機(jī)是統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論發(fā)展的產(chǎn)物。若支持向量機(jī)能被很好的優(yōu)化，則支持向量機(jī)算法就能夠產(chǎn)生較精確的SOC估算精度。（6）其它算法。其它算法還有內(nèi)阻法、負(fù)載電壓法及放電實驗法等在電動汽車電池管理中應(yīng)用逐年減少。
2.3電池均衡的方法
應(yīng)用在電動汽車上的單體電池存在著一定的差別，這種差別會縮短電池的使用壽命，以及起火、爆炸等問題，因此均衡管理應(yīng)運(yùn)而生。電池的均衡控制主要有主動式均衡控制和被動式均衡。（1）被動式均衡技術(shù)，是在單體電池上并聯(lián)電阻，將能量高的電池的多余能量通過并聯(lián)的電阻以熱能的方式進(jìn)行放熱，直到電池的狀態(tài)與其它電池一致，此方法也稱為能量耗散型均衡。這種方式結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低，缺點是效率較低且浪費(fèi)動力電池的能量。（2）主動式均衡技術(shù)，是能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，把能量多的電池的能量轉(zhuǎn)移到能量少的電池。此方法因為沒有能量損耗而得到廣泛應(yīng)用。主動式均衡技術(shù)按能量流動方式又分為兩種。集中式：從整個電池組中獲取能量補(bǔ)充到能量少的電池；分散式的均衡在相鄰電池之間安裝一個儲能環(huán)節(jié)，讓能量在相鄰電池之間流動。
2.4電池組熱管理
熱管理是電池管理系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)之一。電池單元的環(huán)境溫度對其使用性能、安全性、壽命及成本有著極大的影響。溫度是能量與功率性能的直接影響因素。安全性主要指如溫度較低時，可能因瞬間的電壓過充現(xiàn)象引發(fā)短路；電池本身及操作不當(dāng)可能引起電池局部過熱，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件。電池的使用壽命又與其工作時的溫度及存放時的溫度有關(guān)。因此電池的熱管理系統(tǒng)要完成以下基本功能:監(jiān)測電池組溫度并在溫度超過安全線時實行有效的散熱，預(yù)防熱失控事故的發(fā)生；電池溫度較低時會影響其充電、放電和安全性，因此熱管理要有預(yù)熱功能；對電池組內(nèi)部的溫度差異進(jìn)行有效的控制，以延長電池組的壽命；當(dāng)產(chǎn)生有害氣體時，快速通風(fēng)。
3結(jié)語
我國對電池管理系統(tǒng)研發(fā)扶持力度較強(qiáng)，發(fā)展迅猛，大有趕超國外之勢，同時國家有意引導(dǎo)電池管理系統(tǒng)朝輕量化、高比能、易拆解與綠色設(shè)計方向發(fā)展。
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作者：楊培善 白銀 單位：宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院