車載動力電池系統(tǒng)及充電機充電技術解析

電動汽車車載動力電池的性能直接影響汽車的續(xù)航里程，車載動力鋰離子電池組的安全性和串聯(lián)充電機充電不均衡問題是限制其發(fā)展的一大阻力。結合國內外電動汽車動力電池的發(fā)展狀況，對其中前景較好的鋰離子電池管理系統(tǒng)的構成和核心功能進行了重點介紹。

電動汽車采用電能替代化石燃料作為動力，是未來交通的長遠解決方案。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的心臟，只有對其進行充分的了解，才能實現(xiàn)電動汽車的順利推廣。本文從國內外電動汽車主要車載動力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進行了重點分析。

鋰離子電池組充電機充電不均衡易使其產生過充放電問題，嚴重損害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。

1?車載鋰離子電池管理系統(tǒng)

作為電動汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動力電動汽車中可以實現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預測電池的功率強度，便于對整個電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。

在純電動汽車中，BMS具有預測電池剩余電量、預測行駛里程和故障診斷等智能調節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動汽車發(fā)展的關鍵技術。

如圖1所示，BMS中數據采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進行測量，然后將采集的數據分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進行數據顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進行控制，確保電池組處于優(yōu)溫度范圍內。

安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結果進行判斷，當出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警并及時采取斷路等緊急保護措施。狀態(tài)估計模塊根據采集的電池狀態(tài)數據，進行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。

目前主要是SOC估算，SOH估算技術尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數據通信模塊采用CAN通信的方式，實現(xiàn)BMS與車載設備和非車載設備之間的通信。

BMS的核心功能是SOC估計、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預充電機充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關參數進行管理，設置電池的佳充放電曲線，例如設置充電機充電電流、充電機充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負載在上電瞬間相當于短路，因此需要進行預充電機充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。

2?電池管理系統(tǒng)的核心功能

2.1 SOC估算

SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中重要的參數之一。SOC估計是判斷電池過充過放的基礎，精確的估計可以大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運行。

電池SOC的估算在內部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強烈的非線性。影響電池容量的內外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內阻等，要準確完成SOC估算有很大困難。

現(xiàn)有的SOC估算方法如下：

(1)安時計量法。安時計量法不考慮電池內部結構、狀態(tài)等方面的變化，因而有結構簡單、操作方便的優(yōu)點，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時間的推移，SOC累計誤差將不斷加大，影響終結果。該方法適合計量電動汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計量方法。

電動汽車車載動力電池的性能直接影響汽車的續(xù)航里程，車載動力鋰離子電池組的安全性和串聯(lián)充電機充電不均衡問題是限制其發(fā)展的一大阻力。結合國內外電動汽車動力電池的發(fā)展狀況，對其中前景較好的鋰離子電池管理系統(tǒng)的構成和核心功能進行了重點介紹。

電動汽車采用電能替代化石燃料作為動力，是未來交通的長遠解決方案。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的心臟，只有對其進行充分的了解，才能實現(xiàn)電動汽車的順利推廣。本文從國內外電動汽車主要車載動力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進行了重點分析。

鋰離子電池組充電機充電不均衡易使其產生過充放電問題，嚴重損害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。

1?車載鋰離子電池管理系統(tǒng)

作為電動汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動力電動汽車中可以實現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預測電池的功率強度，便于對整個電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。

在純電動汽車中，BMS具有預測電池剩余電量、預測行駛里程和故障診斷等智能調節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動汽車發(fā)展的關鍵技術。

如圖1所示，BMS中數據采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進行測量，然后將采集的數據分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進行數據顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進行控制，確保電池組處于優(yōu)溫度范圍內。

安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結果進行判斷，當出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警并及時采取斷路等緊急保護措施。狀態(tài)估計模塊根據采集的電池狀態(tài)數據，進行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。

目前主要是SOC估算，SOH估算技術尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數據通信模塊采用CAN通信的方式，實現(xiàn)BMS與車載設備和非車載設備之間的通信。

BMS的核心功能是SOC估計、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預充電機充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關參數進行管理，設置電池的佳充放電曲線，例如設置充電機充電電流、充電機充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負載在上電瞬間相當于短路，因此需要進行預充電機充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。

2?電池管理系統(tǒng)的核心功能

2.1 SOC估算

SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中重要的參數之一。SOC估計是判斷電池過充過放的基礎，精確的估計可以大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運行。

電池SOC的估算在內部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強烈的非線性。影響電池容量的內外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內阻等，要準確完成SOC估算有很大困難。

現(xiàn)有的SOC估算方法如下：

(1)安時計量法。安時計量法不考慮電池內部結構、狀態(tài)等方面的變化，因而有結構簡單、操作方便的優(yōu)點，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時間的推移，SOC累計誤差將不斷加大，影響終結果。該方法適合計量電動汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計量方法。

(3)充電機充電策略智能化。為了盡可能實現(xiàn)蓄電池的無損充電機充電，監(jiān)控其充放電狀態(tài)，避免過放電，達到既節(jié)能又延緩老化的目的，需要更智能的充電機充電策略。即針對不同的蓄電池提供不同的充電機充電策略，以吻合該電池充電機充電曲線。

(4)電能變換高效化。電動汽車能量損耗與運行成本相關甚密，要想進一步推廣電動汽車，必須盡可能地平衡其性價比，降低能耗。

(5)充電機充電系統(tǒng)集成化。隨著系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電機充電系統(tǒng)將和電動汽車能源管理系統(tǒng)集成為一個整體，集成電流檢測和反向放電保護等功能，無需外部組件即可實現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電機充電解決方案，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電機充電效果，延長電池壽命。

3.2?智能充電機充電技術

基于以上對鋰離子電池組及其充電機充電現(xiàn)狀的分析，針對鋰離子電池組充電機充電過程中易產生的不均衡性和安全性問題，本文總結出一種基于電動汽車BMS的智能充電機充電模式，如圖2所示。

在整個充電機充電過程中，BMS系統(tǒng)主要針對鋰離子電池組進行電池電壓、電流信號的監(jiān)測和溫度、連接狀態(tài)等的檢測；充電機充電機中的智能管理系統(tǒng)針對充電機充電設備的輸出模式進行實時監(jiān)控。BMS系統(tǒng)與充電機充電設備智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)智能通訊，進行電池組與充電機充電設備狀態(tài)的實時模式比對，為電池組選擇優(yōu)的充電機充電模式。

在充電機充電初始過程中，BMS對鋰離子電池組進行允許大充電機充電量估計，即對整個電池組的單體進行SOC評估，測出電池組大可充電機充電量。并結合預先設定的充電機充電量安全系數，計算出電池組大允許充電機充電量。

充電機充電過程中，按照大允許充電機充電量對鋰離子電池組進行充電機充電。充分利用BMS的能量管理模塊，對電池組單體進行充電機充電均衡控制，保證單體參數一致性。同時在充電機充電過程中，需要對SOC值進行周期性(檢測周期根據電池荷電量的增加梯度制定)檢測。

利用BMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計功能，結合安全管理，大限度防止電池組的過充電機充電。在達到電池組大充電機充電量之后，BMS和充電機充電設備智能管理系統(tǒng)均可以智能控制充電機充電控制器，結束充電機充電過程。同時，BMS斷開與充電機充電機智能監(jiān)測系統(tǒng)的通訊。

智能充電機充電方式不僅能夠解決鋰離子電池組充電機充電不均衡問題，也能大限度地保證電池組充電機充電安全性，延長鋰離子電池組使用壽命，保證其使用安全性。

4?鋰離子電池檢測技術

我國大力發(fā)展電動汽車產業(yè)，并且積極推動相關充電機充電設施建設。但是這些示范性設備在運行中發(fā)現(xiàn)很多問題，如電池的篩選匹配、設備的發(fā)熱、連接裝置的插拔接口接觸不良等。在少量裝置時出現(xiàn)的這些問題如果不能解決，在電動汽車大量應用后，將出現(xiàn)應接不暇的局面，勢必對其發(fā)展產生不利影響。

隨著電動汽車基礎設施大量建設，急需相關配套檢測方案。天津市電力公司開展《移動式電動汽車充電機充電關鍵設備檢測技術研究》項目，其中針對電動汽車換電站重要的是對電池組的檢測。

電動汽車換電站中主要包括電池故障診斷，篩選維護和基于BMS監(jiān)測的分箱充電機充電技術，將針對電池篩選裝置和充電機充電機的性能進行重點檢測。對鋰離子電池特性的研究和掌握，有利于對換電站中篩選裝置精確度進行判斷，提高電池使用壽命。

通過對大量已投入運行的充電機充電關鍵設備進行調研，有利于掌握其運行特性和故障特性，提高檢測效率，形成簡便快捷的移動式檢測方案。這將是一道強有力的核心技術保障，有助于電動汽車的全面發(fā)展。

5?結語

本文對鋰離子電池系統(tǒng)進行了分析，對BMS的構成和核心功能進行了重點介紹，針對電池組充電機充電不均衡問題提出了一種智能充電機充電模式。一套完善的智能充電機充電系統(tǒng)可以協(xié)調充電機充電機與電池組之間的供求關系，為電池組提供更加安全可靠的充電機充電模式，延長其壽命，增加電池組可靠性且降低運行成本，將成為未來電動汽車技術的研究重點。與智能充電機充電技術相匹配的便捷的、快速的“移動式”充電機充電關鍵設備檢測裝置的研發(fā)勢在必行。