新能源电池管理系统研究现状与趋势

新能源电池管理系统研究现状与趋势阚宏林安徽工程大学2015.06.201、电动汽车分类及发展状况2、电动汽车关键技术3、电池管理（BMS）电动汽车分类及发展状况1、分类按动力源分为三类纯电动汽车（PEV，PureElectricVehicle）混合动力汽车（HEV，HybridElectricVehicle）燃料电池动力汽车（FCEV，FuelCellElectricVehicle按速度分为低速、高速按用途分：普通家用轿车、观光车、厂区车、特种车辆、公交电动车等。混合动力汽车：1、动力来源：混合电动汽车的动力来源于2种或2种以上的能源，如蓄电池和汽油发动机或柴油发动机，这些能源可分别用作汽车的动力来源，也可相互协作或以主辅关系来驱动汽车；2、发展趋势：外接充电式（Plug-In）的混合动力汽车（PHEV）3、地位：混合动力汽车仍将是过渡产品燃料电池动力汽车：1、动力来源：来自燃料电池。燃料电池：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等优势：燃料电池汽车在发展大型固定路线交通工具上占有优势纯电动汽车：纯电动汽车是国际公认的新能源汽车的最佳解决方案我国纯电动汽车发展可分为2个阶段即示范应用期和推广成熟期。区分2个阶段的主要标志应是纯电动汽车发展由政府推动过渡为市场推动。本人观点：低速电动汽车应该很有前景从技术和实用性都很好，只是政策问题。2、电动汽车关键技术电机驱动控制系统传统的内燃机能把高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内，这是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因；而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪音低。与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音，节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车中的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效率高。电机动力电池动力电池是电动汽车的关键技术，决定了它的续行里程和成本。用于电动车的动力电池应有的功能指标和经济指标包括：（1）安全性；（2）比能量；（3）比功率；（4）寿命；（5）循环价格；（6）能量转换效率。这些因素直接决定了电动车的实用性、经济性。超级电容器的优势是质量比功率高、循环寿命长，弱点是质量比能量低、购置价格贵，但是循环寿命长达50万～100万次，故单次循环价格不高，与铅酸电池、能量型锂离子电池并联可以组成性能优良的动力电源系统。铅酸电池生产技术成熟，安全性好，价格低廉，废电池易回收再生。近些年来，通过新技术，其比能量低、循环寿命短、充电时发生酸雾、生产中可能有铅污染环境等缺点在不断克服中，各项指标有很大提高，不仅可更好地用作电动自行车和电动摩托车的电源，而且在电动汽车上也能发挥很好的作用。超级电容铅酸电池以磷酸铁锂为正极的锂离子电池负极为碳、正极为磷酸铁锂的锂电池综合性能好：安全性较高，不用昂贵的原料，不含有害元素，循环寿命长达2000次，并已克服了电导率低的缺点。能量型电池的质量比能量可达120Wh/kg，与超级电容器并联使用，可以组成性能全面的动力电源。功率型的质量比能量也有70～80Wh/kg，可以单独使用而不必并联超级电容器。磷酸铁锂以钛酸锂为负极的锂离子电池钛酸锂在充电-放电中体积变化极小，保证了电机机构稳定和电池的长寿命；钛酸锂电极点位较高（相对于Li/Li电极为1.5V），在电池充电时可以不生成锂晶枝，保证了电池的高安全性。但也因钛酸锂电极电位较高，即使与电极电位较高的锰酸锂正极配对，电池的电压也仅约2.2V，所以电池的比能量只有约50～60Wh/kg。即使如此，这种电池高安全性，长寿命的突出优点，也是其他电池无可比拟的。太酸锂电池电动汽车配套设施的建设以及对电网的影响1、充电桩2、家用充电机3、充电过程对电网影响电池管理系统(BMS)BMS电池管理系统通过检测电池的电压、充放电电流和电池组温度来估测电池的剩余电量（SOC），控制电池充放电均衡，并对电池组进行热管理和车载监控系统、充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电，保障电池安全和延长电池寿命。在BMS众多功能中，以SOC估计、均衡控制和热管理最为核心。锂电池组成：1、集流体：电池集流体既是与外电路的连接部分，也是正极材料载体，它本身是金属，电特性满足欧姆定律，可等效为一定阻值纯电阻2、正负极材料：正负极材料是参与电化学反应的物质，决定电池的电压、容量能量密度等特性。3、电解液：重要组成部分，承担着在电池内部的正负极之间传输离子的作用，他对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性等都有重要的影响。锂电池电解液采用具有比水更高分解电压的溶剂。一般为有机溶剂和电解质盐4、隔膜：主要作用是将电池的正负极隔开，使得电子不能通过电池的内部电路但不会阻碍离子在其中通过。隔膜本身对电子和离子是绝缘的，会降低正负极之间离子电导，表现为一种电阻。当电池内部出现过热等情况，隔膜能自动闭孔，将电池的正负极断开，起到保护作用。5、SEI膜：锂离子电池在首次充电过程中不可避免地都要在碳负极与电解液的相界面上发生反应，形成覆盖在碳电极表面的钝化薄层，称为SEI膜。这种膜的作用表现为，消耗了电池内的锂离子，增加电阻，但此膜具有有机溶剂不溶性，允许锂离子比较自由进出电极而溶剂分子无法穿越提高电极循环寿命。6、相际：锂电池主要参数：1、电压2、容量3、荷电状态（SOC）4、OCV-SOC曲线电池内压（OCV）和它的荷电状态（SOC）具有一定对应关系，称之为OCV-SOC曲线，对它的了解有助于SOC估算。影响锂电池性能主要因素：温度高可以提高电池活性，但会降低其寿命。相关研究结论：电压影响研究结论:电流影响相关结论：结论：希望锂电池安全、高效、长寿命工作就必须对锂电池使用过程进行管理，也就是对锂电池使用过程中的电压、电流、温度进行监控。这就是为什么需要BMS的原因1、数据采集2、SOC的估算3、电气控制4、安全管理和控制5、热管理6、数据通信BMS主要功能BMS主要功能：1、SOC：表征电池剩余电量，SOC是判断电池过充以及过放等一系列故障的基础，他的确定是BMS的重点，同时由于SOC在电池使用过程中表现为高度非线性，准确估计SOC具有很大难度。2、SOC估算方法：传统方式：a、开路电压b、内阻法c、安时法d、放电实验法新算法：a、模糊逻辑算法b、自适应神经模糊推断模型c、线性模型算法d、卡尔曼滤波估计模型传统方法比较资料显示各种智能卡尔曼滤波算法是当前SOC主流算法对汽车BMS的SOC算法要求：1、必须实时在线估算2、不能存在累计误差3、在初始估计值存在误差的情况下，能够收敛到真实值附近任何一种单独算法，都不能解决以上问题，需要多种方法综合运用才能取得比较好的结果电流、电压数据采集：BMS的SOC精度除了与其本身算法有关，还与其基础数据单体电池电压、回路电流精度有关。电压采样方法：1、电阻分压采样2、继电器切换检测方案3、集成芯片方式市场上类似的芯片还有很多种电流采样：由于电动汽车运行状态不同，电池组放电电流跨度比较大，为了提高电流采样精度，一般采用多量程采用电路。温度采样：常用热敏电阻（NTC）方式采样，NTC响应速度快，时滞小，测量范围,测量精度1度，只需进行A/D采集即可。传感器DS18B20一般来说，需要设置多个温度探头，才能检测到电池包里真实温度电池组均衡：由于单体电池个性不一致性，为了解决电池组的“木桶效应”问题，需要对单体电池进行均衡均衡方式：被动式均衡方式主动式均衡方式，电容或电阻飞度，控制电路复杂、长时间使用电容值会发生变化。目前已经有这种产品问世体积比较大分散式隔离型分布式均衡拓扑这种电路特点是：每个均衡电路都是一个带隔离变压器的buck-boost电路。优点是均衡效率高、开关器件上所承受的电压高低与串联级数多少无关，这种均衡结构比较适应于串联电池组数量较大的场合；其主要缺点是电路中有较多磁性元件，体积大，容易互感，变压器存在漏感，且难于将线圈保持完全一致。储能电站均衡方案该电路的优点是每一个开关可以同时是一个电池的放电回路和另一个电池的充电回路。只使用一个储能电感，体积小，成本低。均衡目标：一般分为三种：外电压、最大可用容量、实时SOC以外电压为均衡目标的控制策略是在充放电过程中实时测量电池单体外电压，对组内电压高的电池进行放电，电压低的电池进行充电，由此调整电池组电压趋于一致。这是目前应用最广泛的均衡法，其控制方式容易实现，对算法要求不高，缺点是用单一电压均衡，均衡精度和效率难以保证，尤其对于并联电池单体，无法应用该策略均衡。其他两种均衡目标实现起来比较困难，目前使用较少。绝缘检测电动汽车电压高达300V，大巴车达到600V，由于车子本身使用状态非常恶劣，为了人身安全，必须要进行绝缘检测。无源接地绝缘电阻检测方法U表示电池组电压分别表示电池正负直流母线与车身之间的绝缘电阻，在电池的正负直流母线与车身之间接入电阻分别为正负直流母线在电阻R和R’上的压降，S为电子开关。通过S1的通断可以获得两组方程式：通过这两组方程式就可以求解：此种方法有3个缺点：第二，从以上两式可以看出，当正负直流母线对地绝缘电阻值相等是，无解，也就是无法计算出绝缘电阻值第三，当电池组开路或电池组总电压过低时，由于无法测量到被测电阻的分压，无法得到绝缘电阻值有缘绝缘电阻检测方法：该检测方法是通过隔离变压器分别给正负直流母线和车身之间注入直流高压，通过单片机测量分压电阻的压降，通过分压比的不同来计算正负直流母线对地绝缘电阻值此电路的工作方式如下：三、BMS的发展趋势1、BMS的设计主要有如下技术难点：需要采集的数据量大，精度要求高；电池状态的非线性变化严重制约了SOC的预测精度；内部电路复杂，安全性差，抗干扰能力要求高2、根据对BMS的功能要求和目前研究中的问题可知，如何把握电池内部状态的变化规律，用更有效的方式和采用更适当的算法来正确估算SOC，减小SOC的估算误差，仍将是今后研究的重点3、在BMS的安全管理和控制功能模块设计中，如何解决电池自身的安全性问题，例如:实现电池组均衡充电、避免高电压和高电流的泄漏、防止对人体造成伤害，尤其是在冲力作用条件下（发生碰撞时）对电池安全性的控制等，还需要进行大量的试验研究4、目前的很多BMS应用某一类型的电池时效果很理想，但却难以应用到其它类型的电池上，甚至应用在同种类型的不同厂商的电池，效果也会有一定的差异四、本人所做的工作主控板单元板单元板单元板单元板单元板单元板单元板单元板单元板单元板电池组I2C总线控制总线主控计算机CAN总线信号线信号线信号线信号线信号线信号线信号线信号线信号线信号线在科技部、安徽省科技厅、教育厅资助下，开发第一代BMSBMS系统结构图实物图：①首次提出了基于模块化设计思想，每个模块之间采用总线形式进行数据传输。系统结构如图2所示。这种结构的优点有系统的复杂程度降低、系统的可靠性、可维护性、可扩展性增强。②采用两级控制的思想，系统的实时性得到极大提高。③采用软硬件独立控制的思想，系统软硬件既需要协调工作，硬件也可以独立工作，提高系统雍余性、可靠性，更是保证了行车的安全性。具体主要完成下列工作本项目中，提出的一些观点：五、BMS研发展望未来的BMS系统具有①高度集成化，随着世界各大芯片设计、制造公司介入BMS这一领域，BMS系统的集成化程度会越来越高。②未来的BMS系统会越来越智能化，其自适应能力会不断提高。③未来的BMS系统安全性、可靠性会