电动汽车电池管理系统的研究

电动汽车电池管理系统的研究

电池管理系统bms测试在使用电动汽车电池时，电池必须在适当的电压、电压和温度范围内工作。因此，电动汽车上的电池使用必须得到有效管理。对于镍氢电池和锂离子电池,有效的管理尤其需要。如果管理不善,不仅可能会显著缩短电池的使用寿命,还可能引起着火等严重安全事故。电动汽车上对电池实施管理的具体设备就是电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)。电池管理系统是电池组热管理和SOC估计等技术的应用平台。BMS对于电池组的安全、优化使用和整车能量管理策略的执行都是必要的。所有的现代电动汽车都安装有BMS。如图1所示,常见电池管理系统的功能主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和故障诊断。其中前六项为电池管理系统的基本功能。能量管理功能中包括了电池电量均衡的功能。数据采集是电池管理系统所有功能的基础,需要采集的数据信息有电池组总电压、电流、电池模块电压和温度。电池状态估计包括SOC(StateOfCharge)估计和SOH(StateofHealth)估计。SOC提供电池剩余电量的信息。SOH提供电池健康状态的信息。目前的电池管理系统都实现了SOC估计功能,SOH估计技术尚不成熟。热管理指BMS根据热管理控制策略进行工作,以使电池组处于最优工作温度范围。数据通信是指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能。安全管理指电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。能量管理是指对电池组充放电过程的控制,其中包括对电池组内单体或模块进行电量均衡。故障诊断是使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或模块。电池管理系统的核心数据处理和计算功能一般是由单片机来完成,其构成原理如图2所示。soc管理及故障诊断电池管理系统的工作需要一些关键技术为支撑,具体包括SOC估计、热管理、电量均衡和故障诊断,其中以SOC估计和热管理最为核心。由于电池SOC估计与电池性能模型密切相关,电池热管理与电池热模型密切相关,所以这里首先简述电池模型应用,然后重点介绍SOC估计和热管理。电池模型的划分电池模型是描述电池的影响因素与其工作特性之间的数学关系,考虑的因素有电压、电流、功率、SOC、温度、内阻、电压、循环工作次数和自放电,综合大量电池模型的研究资料,这里将电池模型划分为电化学模型、热模型、耦合模型和性能模型四种类型。电化学模型基于电化学理论采用数学方法描述电池内部的反应过程,这类模型主要描述电池的电压特性、电池电极、隔膜的电流分布、超电势变化等。电池热模型用于研究电池的生热、传热过程。由于电池的电化学反应和电池的生热是相互影响的,建立电化学过程中的耦合模型成为研究电池工作过程的新方法。电池性能模型描述电池工作时的外特性。电池性能模型与数学方法结合可以估计电池的SOC。电池热模型可用于指导电池热管理系统的设计。电池模型的研究。根据混合动力汽车模型,分为以下几种电动汽车电池性能模型可分为简化的电化学模型、等效电路模型、神经网络模型和特定因素模型,下面分别简要介绍之。●简化的电化学模型电化学模型过于复杂,在电动汽车上难以应用。电动汽车使用简化的电化学模型,可估计电池的SOC和电压变化。目前,常见的简化电化学模型有Peukert方程和Shepherd模型,后者常用于混合动力汽车分析。●等效电路模型由于电动汽车仿真技术的需要,研究人员设计了大量等效电路电池性能模型。等效电路模型基于电池工作原理用电路网络来描述电池的工作持性,适用于多种电池。根据电路元件的特点,其又可分为线性等效电路模型和非线性等效电路模型。●神经网络模型电池是一种高度非线性的系统,到目前为止还没有在所有工作范围内都能描述电池特性的解析数学模型。神经网络具有非线性的基本特性,具有并行结构和学习能力,对于外部激励能给出相对应的输出响应,适合进行电池建模。神经网络输入变量的选择和数量,影响模型的准确性和计算量。神经网络方法的误差受到训练数据和训练方法的影响较大,所有电池试验数据都可用来训练模型并优化模型性能,而经此数据训练的神经网络模型只能在原训练数据的范围内使用,因此神经网络更适用于批量生产的成熟产品。●特定因素模型研究人员还设计了以影响因素为研究对象的电池模型,影响因素主要有温度、循环寿命等。因此,其对应特定因素模型有温度容量模型和循环寿命模型。电池用户的热管理系统设计电池热模型描述电池生热、传热、散热的规律,能够实时计算电池的温度变化;基于电池热模型计算的电池温度场信息不仅能够为电池组热管理系统设计与优化提供指导,还能为电池散热性能的优化提供量化依据。在电动汽车上处于工作状态的电池组本身是热源,其散热环境由电池组热管理系统提供,电池组内部生热速率受工作电流、内阻和SOC等的影响。电动汽车电池组工作电流没有确定的变化规律,所以电动汽车电池组的生热散热过程是一个典型的非稳态导热过程。研究表明,热物性参数、生热速率和定解条件构成了电池热模型的三要素。电动汽车动力电池soc估计方法对比电池荷电状态SOC(StateOfCharge)描述电池剩余电量的数量,是电池使用过程中的最重要的参数之一。由于SOC受充放电倍率、温度、自放电、老化等因素的影响,使得电池在使用过程中表现出高度的非线性,这为准确估计SOC带来很大难度。到目前为止,虽然新的SOC估计方法不断出现,但电动汽车动力电池SOC的精确估计问题一直没有得到彻底解决。另外,电动汽车使用的都是电池组,如何定义一致性不好的电池组的SOC仍然是一个课题。实际使用过程中常用的方法是将电池组等效为一个电池单体。为了确保电池的安全性,常使用能力最差电池单体的SOC来定义电池组的SOC。目前常采用的方法有放电试验法、安时计量法、开路电压法、负载电压法、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法,下面对各方法逐一做简要介绍。放电试验法放电试验法是最可靠的SOC估计方法,采用恒定电流对电池进行连续放电至终止电压,放电电流与时间的乘积即为电池的剩余电量。放电试验法在实验室中经常使用,适用于所有的电池,但它有两个显著缺点:需要大量时间;电池进行的工作要被迫中断。放电试验法不适合行驶的电动汽车,可用于电动汽车电池的检修。安时计量法应用安时计量法是最常用的SOC估计方法。如果充放电起始状态为SOC0,那么当前状态的SOC可由公式(1)计算。式中CN为额定容量;I为电池电流;η为充放电效率。安时计量法应用中有三个主要问题:方法本身无法给出电池初始SOC0;电流测量不准确将造成SOC计算误差,长时积累,误差会越来越大;必须考虑电流的充放电效率。电流测量问题可以通过使用高性能电流传感器来解决,但成本会增加。解决电池充放电效率问题要通过事前的大量试验建立电池充放电效率的经验公式。安时计量法可以应用于所有电动汽车电池。如果电流测量准确,有足够的估计起始状态的数据,安时计量是一种简单、可靠的SOC估计方法。镍氢电池和锂离子电池的soc电池的开路电压在数值上接近电池电动势。铅酸电池电动势是电解液浓度的函数,电解液密度随电池放电成比例降低,所以用开路电压可以比较准确地估计SOC。镍氢电池和锂离子电池的开路电压与SOC关系的线性度不如铅酸电池,但其对应关系也可以估计SOC,尤其在充电初期和末期效果较好。开路电压法的显著缺点是需要电池长时静置以达到电压稳定,电池状态从工作恢复到稳定需要几个小时,这给测量造成困难,静置时间如何确定也是一个问题,所以该方法单独使用只适用于电动汽车驻车状态。由于开路电压法在充电初末期SOC估计效果好,常与安时计量法结合使用。电池放电电压电池放电开始瞬间,电池的电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态,在电池负载电流保持不变时,负载电压随SOC变化的规律与开路电压随SOC的变化规律相似。图3所示为国内一种100A.h镍氢电池DOD(放电深度)-放电电流-电池组电压的关系曲线。在电池放电时,根据放电电压和电流查表可以得到SOC估计值。负载电压法的优点是能实时估计电池组SOC,在恒流放电时具有较好的效果。实际应用中,剧烈运动的电池电压给负载电压法应用带来困难。负载电压法很少应用到实车上,但常用来作电流充放电截止的判据。测试内阻的范围电池内阻有交流阻抗(Impedance)和直流内阻(Resistance)之分。交流阻抗和直流内阻都与SOC密切相关。电池交流阻抗为电池电压与电流之间的传递函数,是一个复数变量,表示电池对交流电的反抗能力,要用交流阻抗仪来测量。电池交流阻抗受温度影响大,且关于在电池处于静置后的开始状态还是在充放电过程中进行交流阻抗测量存在争议,所以很少用于实车上。直流内阻表示电池对直流电的反抗能力,等于在同一很短的时间段内电池电压变化量与电流变化量的比值。实际测量中将电池从开路状态开始恒流充电或放电,相同时间里负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。实验表明,铅酸电池在放电后期,直流内阻明显增大,可以用来估计电池SOC;镍氢电池和锂离子电池直流内阻变化规律与铅酸电池不同,应用较少。直流内阻的大小受计算时间段影响。如果时间段短于10ms,只有欧姆内阻能够检测到。如果时间段较长,内阻将变得复杂。准确测量电池单体内阻比较困难,这是直流内阻法的缺点。内阻法适用于放电后期电池SOC的估计,可与安时计量法组合使用。电池模型及设计电池是高度非线性的系统,对其充放电过程很难建立准确的数学模型。神经网络具有非线性的基本特性,具有并行结构和学习能力。对于外部激励能给出相应的输出,故能够模拟电池动态特性以估计SOC。估计电池SOC常采用三层典型神经网络。输入、输入层神经元个数由实际需要来确定,一般为线性函数。中间层神经元个数取决于问题的复杂程度及分析精度。估计电池SOC常用的输入变量有电池的电压、电流、温度、内阻、累积放出电量、环境温度等。神经网络输入变量的选择是否合适,变量数量是否恰当,直接影响模型的准确性和计算量。神经网络法适用于各种电池,缺点是需要大量的参考数据进行训练,估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。oc估计结果卡尔曼滤波法理论的核心思想是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估计。应用于电池SOC估计,电池被看成动力系统,SOC是系统的一个内部状态。该方法适用于各种电池,与其他方法相比,尤其适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池的SOC的估计,它不仅给出了SOC的估计值,还给出了SOC的估计误差,缺点是对电池模型准确性和计算能力要求高。电池组热管理系统设计方法电池组热管理系统是从使用者角度出发,用来确保电池组工作在适宜温度范围的整套系统,包括电池箱、风机、传热介质、监测设备等部件。电池组热管理系统有五项主要功能:电池温度的准确测量和监控;电池组温度过高时的有效散热和通风;低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作;有害气体产生时的有效通风;保证电池组温度场的均匀分布。设计性能良好的电池组热管理系统要采用系统化的设计方法。很多研究人员都发表文献介绍了各自设计热管理系统的方法。美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员提出的电池热管理系统设计的一般过程和方法,最具有代表性,其设计过程包括七个步骤:确定热管理系统的目标和要求;测量或估计模块生热及热容量;热管理系统首轮评估;预测模块和电池组的热行为;初步设计热管理系统,包括选定传热介质,设计散热结构等;设计热管理系统并进行实验;热管理系统的优化。下面将结合设计流程介绍电池热管理系统设计过程中的关键技术。对于不同种类的电池,虽然电化学原理不同,但各自热管理系统的设计思路与难点基本一致,这里重点结合镍氢电池展开讨论。温度对放电能力的影响电池组管理系统的主要功能之一就是在不同的气候条件、不同的车辆运行条件下,确保电池组在安全的温度范围内运行,并且尽量将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围之内。所以,设计电池组热管理系统的前提是要知道电池组最优的工作温度范围。大量文献研究了温度对电池寿命的影响。一般来讲,铅酸电池的寿命随着温度增加线性减少,铅酸电池随着电池温度的降低充电接受能力下降,电池模块间的温度梯度会损害整个电池组的容量,铅酸电池的工作温度控制在35~40℃之间为宜。镍氢电池的性能也与温度相关。当温度超过50℃时,电池充电效率和电池寿命都会大大衰减,在低温状态下,电池的放电能力也比正常温度小得多。对锂离子电池的关注更多地集中于安全性和低温性能差上。锂离子电池比镍氢电池、阀控铅酸电池体积功率更高,导致生热更多,所以散热也需要更加有效。电池生热速率模型电池不是热的良导体,仅掌握电池表面温度分布不能充分说明电池内部的热状态,通过前面介绍的电池热模型计算电池内部的温度场,预测电池的热行为,对于设计电池组热管理系统是不可或缺的环节。●电池生热速率在工程应用中准确获取电池单位体积生热速率表达式比较困难,所以是求解电池温度场的难点所在。目前主要有理论计算和实验两种方法得到。目前计算常用的是公式(2)所示的Bernardi生热速率模型。式中Vb是电池单体体积;I是充放电电流;E是电池单体电压;E0是电池开路电压;T是温度;dE0/dT是温度系数;E-E0和TdE0/dT分别表示焦耳热和可逆反应热。●电池热物性参数的获取应用电池热模型,必须测量电池的热物性参数,即电池比热容Cp和热导率kx、ky、kz,计算过程中还要设定准确的边界条件。在工程应用中准确获得上述参数并非易事。电池比热容可以按照物理学定义用量热计直接测量得到,也可以采用理论计算的方法得到。根据电池单体中每一种材料的比热容,通过式(3)质量加权平均的办法可以计算出电池单体的比热容。式中Cp为电池单体的比热容;m为电池单体的质量;mi为电池单体每种材料的质量;Ci为电池单体每种材料的比热容。电池是各向异性的,各个方面上平均热导率一般都不相等。电池是由很多部件和电解液组成的,采用实验方法直接测量热导率有较大难度,通常采用的是理论估算的方法和有限元(FEA)方法。根据电池壁面与环境温差及表面传热系数,可以确定热模型的边界条件。电池模块壁面和环境之间的换热系数可以通过CFD(ComputationalFluidDynamics,计算流体力学)方法或者实验得到。电池组件结构布置和冷却传热介质的选择对热管理系统的性能有很大影响,传热介质要在设计热管理系统前确定。按照传热介质分类,热管理系统可分为空冷、液冷及相变材料冷却三种方式。空气冷却是最简单的方式,只需让空气流过电池表面。液体冷却分为直接接触和非直接接触两种方式。矿物油可作为直接接触传热介质,水或者防冻液可作为典型的非直接接触传热介质。液冷必须通过水套等换热设施才能对电池进行冷却,这在一定程度上降低了换热效率。电池壁面和液体介质之间的换热率与流体流动的形态、流速、流体密度和流体热传导率等因素相关。风冷方式的主要优点有:结构简单,重量相对较小;没有发生漏液的可能;有害气体产生时能有效通风;成本较低。缺点在于其与电池壁面之间换热系数低,冷却、加热速度慢。液冷方式的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高,冷却、加热速度快;体积较小。主要缺点有:存在漏液的可能;重量相对较大;维修和保养复杂;需要水套、换热器等部件,结构相对复杂。并联式混合动力电动车的电池组作为辅助的功率部件,运行条件不是十分恶劣,采用风冷方式就可能达到使用要求。对于纯电动汽车和串联式混合动力汽车,电池组作为主要的功率部件,生热量很大,要想获得比较好的热管理效果,可以考虑采用液冷的方式。日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius和本田公司的Insight都采用了空冷的方式。清华大学和多家单位共同研制的燃料电池城市客车采用的也是风冷方式。电池箱内不同电池模块之间的温度差异会加剧电池内阻和容量的不一致性。如果长时间积累,会造成部分电池过充电和过放电,进而影响电池的寿命与性能,并造成安全隐患。电池箱内电池模块的温度差异与电池组布置有很大关系,中间位置的电池容易积累热量,边缘的电池散热条件要好些。所以,在进行电池组结构布置和散热设计时,要尽量保证电池组散热的均匀性,以风冷散热为例介绍如下。如图4所示为串行通风方式,散热模式下,冷空气从左侧吹入从右侧吹出。空气在流动过程中不断地被加热,所以右侧的冷却效果比左侧要差。电