电池管理系统研究报告

1、电池治理系统报告报告人：王传进日期：2021年2月一BMS概况21.1 BM跋展背景21.2 BM跋展现状31.2.1 国外电池治理系统研究现状31.2.2 国内电池治理系统研究现状4二电池治理系统研究关键点52.2 SOOJ估算52.3 电池的均衡治理62.4 电池的数据采集72.5 电池的热治理8三电池治理系统的设计方案8四总述10一bmS既况BMS称为电动汽车动力电池的治理系统,与动力电池,整车限制系统共同构成了电动汽车三大核心技术.由于其在电动汽车的具有特有的重要性,越来越受到电动汽车产业内及国家政策层面的关注.锂电池应用于小型消费产品时,以单体电池的形式存在,而在电动自行车,电动摩托

2、车,HEV混合动力汽车,PHEV插电式混合动力车,BEV纯电动车中应用时,其要求的容量也逐渐增大,需要通过用并联的形式组成电池组进行充放电.单体之间的性能差异,决定了都需要电池治理系统进行充放电治理,监控和保护,以防止单体电池出现损坏,影响整个电池性能.1.1 BM皱展背景由于动力电池及储能电池市场的扩张,BMS的需求也快速扩大,目前国内外BMS已进入实际应用阶段,但研究不够成熟,性能不够理想.锂电池和BMS生能的提升,是电动汽车开展领域的关键问题,直接决定新能源汽车的推广.在我国低碳经济的背景下,开展新能源汽车已是大势所趋.而且,国家已把新能源汽车作为战略性新兴产业重点培养,着力突破动力电池

3、,电子限制领域关键技术,推进混合动力汽车,纯动力汽车的应用和产业化.根据我国国建汽车产业战略开展的要求,选择新一代电动汽车技术作为国家汽车科技创新的研究主题.我国2021年公布?汽车行业产业调整和振兴方案?确定开展电动汽车产业的规模目标,2021年公布?节能与新能源汽车产业开展规划?提出在未来10年以整车为主要方向,带动与新能源汽车相关的动力电池,电机,电子限制和系统集成等产业链的开展.自1999年,北京交通大学开始电池治理系统的研发,形成不同车型的,不同结构的电池治理系统.2000年起,北京航空航天大学开始对电池系统的研发工作；北京理工大学为北方客车研制了以单片机为核心的铅酸电池治理系统；比

4、亚迪生产的混合动力汽车采用了分布式治理系统,其电池治理系统能够对动力电池组的总电压,总电流,工作温度进行采集,根据采集的数据进行电池组的平安治理及热治理,并估算电池组的SOC;奇瑞汽车也采用分布式治理系统,电池组为多个电池摸组,使用CAN总线和远程采集数据模块进行通讯；长安汽车也为其混合动力汽车研制出了电池治理系统,包括限制电路板和采集电路板两个主要系统,实现对电流电压的采集,并能对单体电池进行热治理,故障诊断,报警等.1.2 BM械展现状目前为止,世界各大汽车集团公司都已在电动汽车上投入大量资金,并研制出多种电动汽车,国内随着国家十五方案“863电动汽车科研专项的进行,全国各地也在如火如荼的

5、进行.1.2.1 国外电池治理系统研究现状国外电动汽车开展比拟早,在车载电池治理系统上做了大量实验和理论成果.其中,美国的福特,通用及日本的丰田等为其小批量生产混合动力汽车,电动汽车配套的车载电池治理系统已经到达相当高的精度和水平.国外主要进行如下工作：1） SOC的测量.国外关于SOC的测量大多通过测量电池的电流电压等外界参数找出SOC与这些参数的关系,以简接测出电池的SOC值,常用的方法有开路电压法,容量累计法,电池内阻法等.2电池的动态监测.电池运行状态的好坏关系到整个电动车辆的运行性能,由于运行电池的性能不能直接观测,需要通过电池的外电压,电流,温度等参数判断其运行是否正常.常用的方法

6、是设计电池模糊诊断系统,通过模糊诊断系统判断电池的运行状态,但是由于模糊诊断过程缓慢,需要大量的实验数据组成.3热平衡治理.环境温度对电池的性能产生很大的影响,高温低温对电池的容量都不利.美国研究这发现,Ni-MH电池在-22.C时还能够提供接近其设计容量的能量,但总电压下降9.2%,总电压波动40.2%,单体模块的最大最大充放电压与最下充放电电压相比,电压波动增加30.3%.SOC的波动引起总电压的降低对电池的性能和寿命有害.环境温度高于40°C,进行充放电,对电池的寿命产生不可恢复的致命影响.国外电池治理系统比拟有代表性的有：彳惠国MentzerUlectronicGmbh设计的

7、BADICHUQ系统；美国通用设计的电动汽车EV1上的电池治理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统.1.2.2 国内电池治理系统研究现状随着国家“863工程确实立,电池治理系统已经成为我国科研人员研究的热点,并已经有多种治理系统问世,我国关于电池治理系统的研究是在学习国外已有的成果根底上的创新成果.国内研究重点放在SOC勺确定,判断电池放电中止的方法和行车充电器的设计.目前在我国电池治理系统研发靠在前沿的公司主要有以下多家：上海妙益电子科技开展.成立于2007年,2021年开始致力于电动汽车,储能基站等电源治理系统的研发,生产和销售,是国内技术领先,市场占有率

8、高的电动汽车电池治理系统供给商.妙益BMS除了根本的单体电压,总电压,总电流,SOC根本功能外还能实现单体温度测量,能量可控均衡,语音报警,数据记录,远程限制,输出限制等功能.BMS电池治理系统凭借原有的车身总线系统设计经验,抗干扰水平强,性能稳定,在业界占领着极大的优势.深圳市科列技术.成立于2021年,公司专注于纯电动客车,混合动力客车,纯电动乘用车及纯电动特等车不同领域锂电池所需治理系统的研发和销售.具研发带有“主动均衡,无线传输核心技术功能的BMS产品能够显著解决锂电池动力电池组不一致的问题,其“高压治理技术到达国内绝缘监测等级最高,高达1000V母线漏电监测.惠州市亿能电子.BMS主

9、要型号有EV01,EV02,EV03,EV04,EV05系列.EV02主要应用于电动汽车领域,采用分布式系统的拓扑结构,每个治理系统都有一个主控单元,多个监测单元；EV03主要应用于纯电动商用车和混合动力乘用车电池系统,采用分散式结构,由主控单元,高压监测单元和假设干个从控单元组成.其他还有如：新能源科技,东莞锯威新能源,宁波拜特测控技术,深圳市超思维电子股份,北京海博思科技,北京华盛源通科技等.从以上可看出,电池治理系统在我国的开展也是如火如荼,有些公司已经取得了不菲的成果,而且,在市场销售方面占有很大的份额.二电池治理系统研究关键点目前基于电池治理系统的研究主要涉及的技术关键点有SOC勺估

10、算,单体电池的均衡治理,电池热治理,数据采集的正确采集.具框图如下所示：图2-1关键技术点框图2.2 SOC勺估算SOCBP电池的荷电状态,其计算表达式SOC4工/；,SOC是动力电电池的标称电量池必须实施监测的参数,SOO决定动力电池能量流行和分配策略的重要依据,是保证动力电池平安运行的重要参数.在低SOCF的过放电及在高SOCF的过充电都会导致电池性能的下降,乃至造成平安事故.动力电池工作在充放电状态转换及其频繁的情况下,电流积分将产生较大的累积误差.电池的自放电,工作电流,工作温度等也影响到SOC勺准确性.现在常用的SOC古算法主要有放电试验法,开路电压法,安时积分法,负载电压法,内阻法

11、,卡尔曼滤波法和人工神经网路络法.由于SOCS到多方面因素的综合影响,不能仅仅考虑使用某个因素而去估算SOC勺值,这样将会使所测得值远离SOC勺实际值,将会给监控状态带来隐患.通过资料的查阅目前以有些研发人员采用的算法,以下2种为例说明：1开路电压与安时积分相结合.根据开路电压法估算初始时刻SOC0再通过安titi时积分法得到pdi,再根据健康状况及温度修正SOC0与Id得到00tiKt0Ki°SOC0,KtKjIdT,得至Uti时亥ijSOCM：toti、SOCi=Kt0KtiSOC0KtKiIdKt温度修正系数,Ki电流修正系数.t02采用卡尔曼滤波法.首先建立电池的状态方程和测

12、量方程,设xk=SOCk,建立以电流为输入,SOE状态变量的零阶保持采样离散状态方程：XkH=Xk-Tlik',t/Cm放出的曲量其中测量万程=.丁土粉巾.由目根据SOC电流i,内阻R等因素与电池电池未放电刖的电量负载y之间的关系,建立数学模型.而后,在不同条件下,利用单脉冲,复合脉冲充放电实验,再通过最小二乘法对参数进行辨识.最后,利用辨识所得的测量方程模型,采用卡尔曼递推滤波法对SOC4行估算,并对SOCS行修正.2.3 电池的均衡治理对电池组进行物理均衡充电限制方案,按均衡电路处理能量的可能流向分为单相均衡和双向均衡；均衡过程中电路对能量的耗散情况分类分为耗散型和非耗散型；按均衡

13、电路方式分为被动均衡电路和主动均衡电路；按均衡电路的拓扑结构分为集中式均衡和分布式均衡,这些分类不是独立存在,而是相互交叉,相互依存.耗散型均衡通过指定电池组中的单体电池并联,在某个单体电池的电压出现偏高时自消耗放电,从而平衡电池组内各单体间容量差,到达均衡目的.f+-图2-2耗散型均衡充电法图2-1所示,利用单体电池旁路电阻进行自动充放电实现电池间的均衡,电阻能耗与单体电压成正比,单体电压最高的能耗最多,不可控,效率低,能量损失大.非能耗型均衡充电方法采用电容,电感作为储能元件,利用电源变换电路采取集中或分散式的结构,实现单向或双向充电.充电时,将电压较高的能量传递给电压较低的电池,或者将整

14、组电池的能量补充到电池电压最低的单体电池,从而实现电池的均衡.这种能耗小,但限制难度大,电路结构复杂.目前,非能耗均衡电路主要包括续流电感均衡电路,开关电容均衡电路,逆变分压均衡电路等.目前市场上常见的治理系统中,被动均衡是最常见的均衡充电方法,称为电阻能耗式,属于耗能型均衡方式.其主要布局,每节电池都通过一个开关与一个功率电阻并联,串联中电池单元的电压值经过差分测量,通过电路被单片机测得.被动均衡的优点电路简单,本钱较低,但其只能做充电均衡,同时,在充电均衡中,多余的能量以热量的形式释放,使得整个系统的效率低,功耗高.目前市场上提供的均衡方案根本是被动均衡.主动均衡,属于无耗能均衡方式,充电

15、时,不把电压较高的电池能量通过电阻消耗掉,而是将其能量传递给电压较低的电池,或者将整组电池的能量补充到电池电压最低的单体电池,实现电池的均衡充电.主动均衡又分为集中式主动均衡和分散式主动均衡,集中式主动均衡是向整组电池获取能量,通过电能转换装置向能量少的电池补充能量；分散式主动均衡是在相邻电池间存在一个储能环节,储能元件可以是电感或电容,可以让能量在相邻电池之间流动,能量多可以将能量传递到能量少的电池.2.4 电池的数据采集车载动力电池一般由很多单体电池串联组成,总电压36V到800M电池治理系统需要测量所有单体电池电压,分组温度和总电压电流信号,而且信号动态范围大,共模电压大,数量多,容易被

16、干扰.这些信号是SOC古算,充放电均衡,过冲过放保护判断等功能的根底,其精度直接影响SOC古算精度,数据采集是系统设计的关键,必须保证数据的准确性,可靠性,抗干扰性.电池的温度是评估电池SOCffi判断电池能否正常使用的关键性参数,电池的温度直接影响电池的充电效率,温度高,充电效率高,如果电池温度太高,可能造成电池的破坏.成组的使用电池,单体间的温度差异会造成充放电的不均衡,导致电池寿命降低,因此合理设计温度的采集是很重要的.电流是电池容量估计的关键参数,对电流采集的精度,抗干扰水平,零飘,温飘和线性度误差的要求很高,电流采集的精度不够,会直接导致SOC勺累积误差明显增大,对电池状态的监控带来

17、误判.因此,要合理设计电流的采集是一项重要技术.电池的端电压测量,对单个电池电压的测量不是很难,关键是对电池组中用联在一起的单电池电压测量.2.5 电池的热治理电池热描述电池生热,传热,散热的规律,能够实现计算电池的温度变化；不仅能够为电池热治理系统设计与优化提供先导,还能为电池电热性能提供依据.电动汽车处于工作状态的电池组本身是热源.其散热环境由电池组的热治理系统提供,电池内部受热速率受工作电流,内阻和SOC等影响.电动汽车组的生热散热过程是一个典型的非稳态过程.热物性参热,生热速率和定解条件构成了电热模型的三要素.因此合理治理好电池的热性能是提升电池性能,延长电池寿命的重要因素.三电池治理

18、系统的设计方案目前电池治理系统主要实现的功能主要有：数据采集,数据显示,状态估计,热治理,数据通讯,平安治理,能量治理,故障诊断,其中能量治理包括电池电量均衡功能.其功能框图如下:电池治理系统功能据通讯数据显示状态估计台匕目匕量治理故障诊断图3-1电池治理系统功能图数据采集是电池治理系统的根底,需要采集电池组总电压,电流,电池模块电压和温度.电池模块估计包括SOC与SOH电池健康状态.目前只实现SOC的估算,SOH还不成熟.热治理根据热治理限制策略进行工作,使电池组工作再最正确的工作状态.数据通讯是电池治理系统与整车限制器,电机限制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据的交换.平安治理指电池治理系统在电池组电压,电流,温度,SOC等出现不平安状态时及时报警并进行断路紧急处理.能量治理系统对电池充放电进行限制,对电池组内单体或模块进行电量均衡.故障诊断指及时发现电池组内出现故障的单体或模块.而电池治理系统的核心是由单片机来限制的.主要构成原理图如下3-2所示：压流度电电温信号处理整车装置通讯接口“.限制输出中央处理器执行单元ml一理管>图3-2电池治理系统原理图目前有种设计方案采用分