电动汽车的电池管理系统.doc

电动汽车的电池管理系统控制 纯电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）正作为新能源车的主力，得到国家的大力推动和财政支持，这包括了“十城千辆”工程的启动和国家对电动汽车终端用户高额财政补贴等一系列重大政策的实施。特别是最近公布的新能源汽车试点城市由20个增至25个，以及节能与新能源汽车产业发展规划里提到，未来10年国家将拿出超过1000亿元的资金，用以扶持新能源汽车产业链的发展。在众多厂家的努力下，将可使电动汽车产业的规模化和市场化尽早形成。 目前，动力总成控制系统和电机及驱动系统有很多厂家正在研发和改进中，动力电池的能量密度、可充放电次数也已基本达到电动汽车的要求。因此，如何有效地让电动汽车的动力系统工作在最有效的状态，电池管理系统做为动力电池系统的监控者，其关键的作用就是在保证电池安全使用和寿命的前提下，充分发挥电池能力。 什么是电池管理系统 电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC&SOH状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。电池管理系统的基本功能如下，这些功能可以满足大部分手机电池、电动工具、电动自行车的应用。 监测单体电芯的工作状况，例如单体电池电压、工作电流、环境温度等。 保护电池，避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短，损坏，甚至发生爆炸、起火等危害人身安全的事故。 HW 过压（OV）和欠压（UV）保护 HW过流（OC）和短路（SC）保护 HW 过高温（OT）和过低温（UT）的保护 为电池提供多重保护以提高保护和管理系统的可靠性 硬件执行的保护具有高可靠性 软件执行的保护具有高的灵活性 管理系统关键元器件失效的保护为用户提供第三重保护 电池管理系统的设计要求 电动汽车必须满足“以人为本”的安全理念以及汽车电子高可靠性的要求。由于电动汽车处在高速行驶（80km/hr），车辆的安全驾驶及各种保护动作必须由驾驶员、车辆管理系统，充电器和电池集成系统共同决定，而电池管理系统不仅要为电机提供足够的动力，已满足汽车各种工况行驶的要求，而且要采集自身电池的各种信息，对自身工作状态有一个精确的计算和判断，然后要把这些信息准确无误地传递给车辆管理系统和驾驶员，使车辆管理系统和驾驶员做出正确的驾驶动作，以便在保证电池安全的前提下，充分发挥电池的潜力，延长电池的寿命。 汽车级电池集成系统必须满足汽车电子的要求，支持在线检测和故障诊断等功能，通过TS16949的认证。因此电动汽车用电池集成系统对电池的管理提出了更高的要求： 电源及动力系统的集总分布式、层次化，模块，从而提高电池集成系统的寿命 电池的温度检测和热管理 电池的健康状况和剩余电量的估算和显示 在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技术含量 动力总成技术就是在保证电池在安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保证电池的性能，提高电池的寿命 高可靠的通讯协议表：电动自行车和电动汽车电池管理方案的介绍和比较 电池管理系统的芯片集成技术 汽车电池系统的可靠性要求极高，特别是高压监控部分，电池均衡部分。由于集成的解决方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，从而导致： 元件匹配度不好，信号采集的精度下降 外部节点增多，难以做到自动化测试，提高测试成本，降低测试覆盖率，系统可靠性低 外部元件的功耗很难控制 系统尺寸大，成本高 凹凸科技(O2Micro)在动力锂电池的保护和管理技术已经有十年以上的经验，是全球领先的动力电池管理芯片的供应商。值得关注的是，凹凸科技(O2Micro)是全球第一家提供支持13节电池单芯片前端检测的方案提供商，该芯片OZ890最多支持16颗串联可以支持到208节的应用，目前采用该芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。随着电动汽车领域的发展，凹凸科技(O2Micro)的电动汽车电池管理芯片集成了O2Micro在动力电池的最新科技和管理的成果，如高速、高精度数据采样、高压通讯技术以及支持全面的系统诊断，使得管理系统性能更加强大，更加可靠。表：以标准电池模块为例介绍分立元件的方案和集成方案的比较由此可见，集成芯片的解决方案对提高系统的可靠性、降低成本具有十分重要的作用，是电池集成技术中硬件设计技术的核心。 凹凸科技电池管理系统方案 目前采用凹凸科技(O2Micro)芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。这些锂电池管理系统的主要架构为：锂电池管理系统由O2Micro提供前端AFE，带微处理器的本地控制单元，中央控制单元和一些输入输出接口组成。电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态，包括电池的单体电压、系统电压、系统电流和电池的温度，实时估算电池的剩余容量，管理电池的工作情况，避免出现过充、过、，过热，以及单体电池之间电压严重不平衡的现象，以便让电池达到最大限度的循环寿命。 为了让电动汽车整车的动力分布更合理以及尽量提供最大的输出能量，大部分纯电动汽车的电池管理系统都是分布式的架构；而混合动力车由于电池包相对比较小，所以会存在集中式的架构。无论何种架构，凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片都可以实现对电池的监控。图：采用凹凸科技(O2Micro) 芯片的锂电池管理系统的架构图在分布式锂电池管理系统里凹凸科技(O2Micro)的多串电池管理芯片OZ890支持可达13路电压检测通道和3路外部温度检测通道，作为AFE可以采集系统中所有单个电芯的电压和温度信息， 然后通过I2C总线把此信息传递给本地电控单元，再经过本地电控单元的处理传递给中央电控单元。可以根据系统中每个电池包的电池串的多少，去决定每个电池包中所用的前端检测芯片OZ890的个数。同时OZ890可以根据采样的信息以及电控单元的控制，对不平衡的电芯进行均衡控制，以延长整个电池管理系统的寿命。而电池包的个数，更是取决于系统电压以及整车中动力的排布。 凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片除了可以应用在锂电池管理系统中，也可以应用于铅酸电池管理系统。对于传统的铅酸电动车而言，因为不会像锂电池存在不安全性，所以大部分应用中都没有采用管理系统。其实铅酸电池在电动车中同样需要管理系统来防止电池过充、过放、过温， 因为这些现象的发生都会对铅酸电池造成不可逆的损坏，造成整个系统的循环寿命的下降；同时，铅酸电池的自放电很大，很难控制，就会容造成电芯之间不均衡的现象，虽然电芯厂已经经历对电芯实行配组筛选，也很难做到一致，导致部分电池过充或者过放，从而导致电池的寿命下降，也提高了电池的维护成本，所以铅酸电池管理系统的均衡功能就非常重要。凹凸科技(O2Micro)的电池管理芯片的ADC动态范围很广，可以应用于铅酸电池的管理系统中，做到基于单体电池的监控和均衡，延长了电池的寿命，降低维护成本。铅酸电池的管理系统功能和锂电池系统类似，由于铅酸电池标准包大部分是12V、6V，或者储能的2V。 如果12V的包，那就是6个2V的单体组成的包，这也限定了前端采样的使用个数。而电池包的个数则由整车电压和整车动力分布所决定。 铅酸电池管理系统中采用凹凸科技(O2Micro)的OZ8930或 OZ8940芯片作为前端监控，负责铅酸电池模块中每个单格2V的采样，以及有2路温度检测通道负责监控铅酸电池的温度。AFE所有采集的电池的状态和信息都会通过I2C传递给本地电控单元；本地电控单元处理之后再送给中央电控单元。中央电控单元会根据整个系统中电池的状态去让AFE适时对相应的电芯做均衡管理，同样中央电控单元也会把电池系统的信息反馈给整车中央控制器，整车控制器会根据电池的状态去控制电机以及充电器，从而保证电池系统在一个安全可靠的范围内运行。 总结 随着电动汽车的发展和动力电池普遍使用，电池管理系统的作用越来越重要。电池管理技术就是通过实时检测和估算电池状态、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并据此提供电池（组）的优化使用方法，既防止电池（组）出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性，实现电池容量和能量利用的高效性。凹凸科技(O2Micro)通过和系统厂商及电池厂商的紧密协作，越来越多的产品被应用到动力锂电池的保护和管理的领域，并开发出动力锂电池的管理系统，成为动力电池管理技术的领跑者和市场的开拓者。凹凸科技(O2Micro)开发的锂离子和铅酸电池管理系统，可延长电池的循环寿命，已逐渐应用于电动车和各种储能市场，极大提高了系统的附加值。凹凸科技(O2Micro)愿意为中国乃至全球电动汽车的发展，贡献自己的绵薄之力。 15个电动汽车相关标准下半年将陆续发布 国家鼓励以电动车为主的新能源政策明晰后，各车企纷纷上马电动车项目。但因为电动车各项标准的缺失，多少令各企业的豪言壮语略显空洞。记者上周六从北京市质量监督局获悉，目前国家正对电动车标准进行指导性分类，下半年将陆续发布15个电动汽车相关标准。 记者获悉，正在起草的电动车标准包括，电池箱的规格、电压电流的安全数据参考值范围、电池的合理化回收再利用以及报废的安全无污染处理、对电池更换设备的要求、充电站监控、计费、安全、电池箱编号等。 此一系列电动车标准的起草单位团体由政府部门、学校和研究机构三方面组成，包括北京理工大学、北京市发改委、国家汽车质量监督检验中心、普天海油新能源动力有限公司等单位。智能电池管理系统（SBS） SBS（Smart Battery System）是智能锂电池组管理系统，目前已经发展成为行业标准，其定义了智能电池数据规范协议SBData1.1、系统管理总线协议SMBus2.0(与I2C总线兼容)及相关的数据精度标准。该系统集成了电压、电流、温度检测和异常状态的保护等众多功能，还具有对电池组的充、放电电量进行精确计量。 SBS智能锂电池组管理系统主要用于精确计量电池充放电电量和通讯等多串电池应用场合，此类应用包括笔记本电脑用电池、数码摄像机/照相机、移动式备用电源等。 SBS的出现大大简化了独立电池系统的设计，因此其应用已经超出了笔记本计算机领域，而出现在其他各种应用中，比如备份电源系统、高可靠性军事和航天应用中。其他关键应用还包括了汽车、安全/监视/防伪系统、医疗设备、刀片服务器、电信和便携式电子产品。智能电池利用内部电子线路来测量、计算和存储电池数据，它使电源的使用更加可预测。而且，智能电池还有一个重要优点，那就是能防止意外的系统停机。一个基本的SBS系统由以下部分组成：系统管理总线（SMBus）、智能电池充电器和智能电池。SBS的模块化特性使设计闭环电池充电系统变的非常容易，这样的系统允许采用电池组独立充电器（智能充电器），最大限度地降低了硬件和软件的非重复工程（NRE）性成本，并促成了坚固的系统，这对高可靠性电池备份应用尤其重要。 电动车产业化前夜：等待高密度新政出台四部委重申扶持电动车在9月4日举行的“2010中国汽车产业发展国际论坛”上，全国政协副主席、科技部部长万钢透露，电动汽车科技发展“十二五”专项规划（以下简称规划）草案已经拟定，将进一步加大对电动汽车科技研发的投入，继续支撑和引领中国电动汽车的发展，抓住未来5至10年的机遇，成为节能与新能源汽车强国。万钢就新能源汽车的技术发展路线问题给出了明晰表述：“在未来5到10年中，混合动力汽车将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向；纯电动，包括插电式电动汽车将成为近期发展战略的主流；燃料电池汽车会成为未来发展的制高点。”科技部制定的这一新能源汽车发展路线，基本上得到了工信部、发改委和财政部认同工信部装备工业司副司长王富昌认为“要优先发展小型纯电动汽车和小型节能汽车”。财政部经济建设司处长吴海军表示“要通过示范推广进一步明晰以纯电驱动为主要方向的发展路线”。发改委在2010年版的“产业结构调整指导目录鼓励类产品”中增加了新能源汽车的关键零部件部分。“其中包括电池管理系统、电机管理系统、电动汽车驱动电机、电动集成以及充电设备等等。”发改委产业协调司司长陈斌透露。四部委从各自职能出发，阐释对纯电动汽车的多方位支持，进一步表明电动汽车将成为我国新能源汽车发展的首选技术路径。“发展纯电动汽车让政府看到了一个希望，这个希望不仅仅局限于它对我国汽车工业转型可能做出的贡献，它更大的意义在于有可能提高我国的综合竞争实力，增强我国在温室气体排放中的话语权。而后者或许更能成为政府大力倡导发展电动车的动力。”一位不愿意透露姓名的业内人士向记者点出了政府将电动车作为主攻方向的背后意义。在新能源汽车技术路径上达成一致之后，四部委面临的共同问题是：电动汽车产业化如何破冰？电动车是理论路径在9月3日举行的VIP圆桌会议中，十届全国政协常委、经济委员会副主任陈清泰全面阐释了国家大力发展电动车背后的战略意图。目前国家已经把培育新兴产业作为提高国家竞争力的重大战略，希望以发展新兴产业为契机，形成技术进步与产业升级相互促进的新形势，使我国工业化迈入新台阶。正是在这一大背景下，作为新能源汽车的代表电动汽车已经作为新兴产业中的一分子，列入大力培育的名单之中。陈清泰认为，汽车动力系统转型是我国以自主知识产业实现技术跨越的战略机遇。电动车全球发展起步，我国大体跟上了世界发展步伐，如果把握得当有可能改变我国汽车产业大而不强的状况，逐渐进入世界汽车技术的领先行业。而更为重要的是，电动车零排放的特点，或许能在今后的碳经济竞争中为我国占据一个有利位置增添砝码。“各部委之所以将电动车作为首选技术路径，另一个理由是，它能带动动力电池、新型电机、电控系统、电动功能部件、智能软件，以及电网技术设施和汽车智能化等方面的创新和发展。” 陈清泰强调，未来此路径可形成一个二十至三十年的增长期，是个理想的战略性新兴产业。“面对汽车产业百年来最为重要的一次技术革命，中国企业必须以全球视野、战略思维看待今天，如果在起点上就放弃了，若干年后，电动车领域将再度重复燃油汽车走过的技术模仿、低端制造、受制于人的历史，这是我们绝对不愿意看到的。”在国家战略层面，陈清泰态度坚决电动车产业被寄予的希望，不是追赶而是超越。赶超世界还只是口号尽管电动车被相关部委寄予了超越的希望，但是业界和市场的评价，以及舆论的态度并不积极。7月，深圳市出台的私人购买新能源汽车补贴政策规定，在国家政府补贴的基础上，深圳对双模电动车追加3万元、对纯电动汽车追加6万元补贴。这意味着深圳市民购买双模电动车最高可享8万元补贴，购买纯电动车最高可享12万元补贴。即使有高额补贴的刺激，比亚迪双模电动车F3DM自7月以来完成的私人销售量仅过百辆，目前手中订单有60余辆。吴海军称，这个数字对电动车产业化而言是一个艰难突破。在此之前，比亚迪F3DM的私人销售量不足30辆。产业规模打不开，就无法带动企业对电动汽车的投入热情；没有投入，关键零部件技术的突破就无从谈起；关键零部件技术不能突破，电动汽车就只能是车企实验室中的组装样车，降低生产成本、稳定整车安全性便无从谈起；而生产成本不能降低、整车安全性不能保证，实现产业规模化就只能是一句空话。“与近乎完美的燃油汽车产业链相比，刚刚起步的电动汽车产业化始终存在着技术成熟度和市场规模、用户普及度与基础设施建设、产业规模和生产成本之间先有鸡还是先有蛋的矛盾。在缺少市场预期的前提下，哪个企业也不愿意贸然改变汽车路线。”陈清泰认为，在这种情况下，电动汽车要实现“超越”必须由国家制定一系列政策予以推进。中国汽车工业协会常务副会长兼秘书长董扬认为，目前个别车企