新能源汽車(chē)經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展,電池仍然是一個(gè)技術(shù)難題,需要高精度和高魯棒性來(lái)保證電池工作的萬(wàn)無(wú)一失。
新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)很大的區(qū)別是用電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng),所以動(dòng)力電池管理技術(shù)(Battery Management System,BMS)成為了新能源汽車(chē)研究的核心技術(shù)。
什么是電池管理系統(tǒng)?
電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS),電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)(BMS)是連接車(chē)載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)的重要紐帶,BMS系統(tǒng)通常包括檢測(cè)模塊與運(yùn)算控制模塊。 主要功能包括:1)電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);2)電池狀態(tài)估計(jì);3)在線診斷與預(yù)警;充、放電與預(yù)充控制;4)均衡管理和熱管理等。
電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì):
電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能:
1)安全性,保護(hù)電池單體或電池組免受損壞,防止出現(xiàn)安全事故;
2)耐久性,使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi),延長(zhǎng)電池的使用壽命;
3)動(dòng)力性,維持電池工作在滿足車(chē)輛要求的狀態(tài)下。
電池管理系統(tǒng)的分類(lèi):
1)分布式電池管理系統(tǒng)(BMS):分布式BMS采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),包括:主控制模塊上位機(jī)(BMU),電池檢測(cè)模塊下位機(jī)(LECU)。
應(yīng)用領(lǐng)域:主要適用于大巴、物流清潔等交通運(yùn)輸領(lǐng)域及大型儲(chǔ)能領(lǐng)域。
2)一體機(jī)電池管理系統(tǒng)(BMS):一體機(jī)系列的BMS產(chǎn)品,高度集成了單體電池電壓,電流的采集,均衡模塊,SOC估算,溫度采集,充放電控制模塊。
應(yīng)用領(lǐng)域:小型電動(dòng)車(chē)、微型電動(dòng)車(chē)。
電池管理系統(tǒng)的主要組成及功能:
(1)電池終端模塊(主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如:電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度、通信信號(hào)等);
(2)中間控制模塊(主要與整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行通訊,控制充電機(jī)等);
(3)顯示模塊(主要進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互)。
為滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范,BMS的這些組成模塊要完成的如下工作:
(1)電池參數(shù)檢測(cè)。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(cè)(防止出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放甚至反極現(xiàn)象)、溫度檢測(cè)(*好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器)、煙霧探測(cè)(監(jiān)測(cè)電解液泄漏)、絕緣檢測(cè)(監(jiān)測(cè)漏電)、碰撞檢測(cè)等;
(2)電池狀態(tài)估計(jì)。包括荷電狀態(tài)(SOC)或放電深度(DOD)、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)、故障及安全狀態(tài)(SOS)等;
(3)在線故障診斷。包括故障檢測(cè)、故障類(lèi)型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測(cè)是指通過(guò)采集到的傳感器信號(hào),采用診斷算法診斷故障類(lèi)型,并進(jìn)行早期預(yù)警。 電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障(如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等),以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過(guò)壓(過(guò)充)、欠壓(過(guò)放)、過(guò)電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等;
(4)電池安全控制與報(bào)警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知整車(chē)控制器,并要求整車(chē)控制器進(jìn)行有效處理(超過(guò)一定閾值時(shí)BMS也可以切斷主回路電源),以防止高溫、低溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、漏電等對(duì)電池和人身的損害;
(5)充電控制。BMS中具有一個(gè)充電管理模塊,它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機(jī)的功率等級(jí),控制充電機(jī)給電池進(jìn)行安全充電;
(6)電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中*小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息,采用主動(dòng)或被動(dòng)、耗散或非耗散等均衡方式,盡可能使電池組容量接近于*小單體的容量;
(7)熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求,決定主動(dòng)加熱/散熱的強(qiáng)度,使得電池盡可能工作在*適合的溫度,充分發(fā)揮電池的性能;
(8)網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS需要與整車(chē)控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信;同時(shí),BMS在車(chē)輛上拆卸不方便,需要在不拆殼的情況下進(jìn)行在線標(biāo)定、監(jiān)控、升級(jí)維護(hù)等,一般的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN;
(9)信息存儲(chǔ)。用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù),如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等;
(10)電磁兼容。由于電動(dòng)車(chē)使用環(huán)境惡劣,要求BMS具有好的抗電磁干擾能力,同時(shí)要求BMS對(duì)外輻射小。
動(dòng)力電池的基本概念:
(1)電池容量
電池容量是蓄電池的一個(gè)重要性能參數(shù),它表示在一定放電率、溫度、終止電壓等的條件下,電池放出的電量。電池容量用C表示,其單位用安時(shí)(Ah)、毫安時(shí)(mAh)表示。
(2)充電速率和放電速率
此概念利用電池額定容量和充電時(shí)間(放電時(shí)間)的比值來(lái)表示,可以比較不同電池的充放電速度。
(3)電池的過(guò)充
電池的過(guò)充即是對(duì)電池進(jìn)行了過(guò)度的充電,過(guò)充會(huì)給電池造成一定的損害。當(dāng)快接近充電結(jié)束的過(guò)程時(shí),即電池電量快滿的時(shí)候,只能用小電流對(duì)電池進(jìn)行低速率充電。因?yàn)橹挥行‰娏鞒潆娝a(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕,在電池內(nèi)部積聚的氣體較少,而且給電池散熱的時(shí)間充足。
(4)充電終止電壓/放電終止電壓
當(dāng)蓄電池充滿電時(shí),表示電池極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),所以在這個(gè)時(shí)候即使繼續(xù)對(duì)蓄電池充電,蓄電池的電壓再也不會(huì)升高,此時(shí)蓄電池的電壓稱(chēng)為充電終止電壓。類(lèi)似地,放電終止電壓就是放電時(shí)候能達(dá)到的*低電壓。
(5)電池的內(nèi)阻
蓄電池兩端測(cè)得的阻值稱(chēng)為蓄電池的內(nèi)阻。
(6)電池的生命周期及老化
電池的整個(gè)生命周期會(huì)經(jīng)歷以下三個(gè)階段:在剛開(kāi)始使用階段時(shí),容量會(huì)增大5%~10%;接下來(lái)的階段,容量保持不變;*后一個(gè)階段,電池容量開(kāi)始慢慢減少。這段容量減少的階段就是電池的老化階段。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)電池容量降到額定容量的80%時(shí),則認(rèn)為電池壽命結(jié)束。
總結(jié)
由以上可知,電池組是新能源汽車(chē)的重要組成部件。所以,動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)對(duì)新能源電動(dòng)汽車(chē)電池起到了至關(guān)重要的作用,BMS對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理,提高電池的使用效率,增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)電池使用壽命、降低運(yùn)行成本。