电动汽车的电池管理系统(下)

◆文/广东　郭栋

郭栋

(本刊编委会委员、“新能源汽车”栏目主持专家)

深圳市派司德科技有限公司董事长；广东省电动汽车标准委员会专家；博世汽车服务公司新能源汽车教学项目顾问；深圳职业技术学院客座教授。参与国内几款主要电动汽车控制策略的设计；参加了深圳电动汽车维修专项技能认证标准的开发；参与了电动汽车修理厂技术标准、营运电动汽车维修和保养技术规范、营运电动汽车技术性能检测标准的制定。为电动汽车生产企业提供生产工艺设计咨询，同时还主持了电动汽车车载诊断系统设计项目。

(接上期)

五.电池的均衡管理

为什么需要电池均衡呢？首先一个串联的电池包，不管你怎么去筛选，总是会出现不均衡(电压差别、容量差别、内阻差别、充电和放电速度差别)现象。这样在实际使用过程中，每个单体电池的输出电量是不一样的。这里需要增加一个衡量电路，以提高电池包储电空间的利用率。在电池充放电时，出现的不均衡现象如图6所示。

电池不仅有过度放电和过度充电的限制，而且在不同温度和不同SOC下，最大的输入和输出的功率也存在限制。单个单体电池的限制，会影响到整个电池，但单个单体电池超限，并不代表整个电池组不安全，而是那个超限的单体电池会损坏。当然，串联在一起的电池包也遵循马太效应，由于其负荷是一致的，越弱(自放电大、容量低、发热大)的那个电池永远承受着越大的压力，那么在一个电池包内，这个电池也就老化的越快。实验证明，电池的最大放电功率和其工作温度及SOC状态是呈函数关系的，如图7所示。

影响电池不均衡的因素有哪些呢？如图8所示，这里的十三个影响因素被分为了五组。

1.电池包内各个单体电池之间的个体差异性(从出厂就具有的)。

①单体电池容量差异；

②单体电池内阻差异；

③单体电池自放电差异。

以上这三个因素，主要是由于单体在制造过程中的差异导致的。越好的制造商，能够制造出差异越小、均衡越好的电池。

④不同的工作电流导致的不均衡的概率分布，如图9所示。不同的电压、电流采集方案会不同程度加剧电池的不均衡，如图10所示。

⑤休眠时候电流差异： 这个时候的电路差异，主要是集中在单体电池的输入端和均衡通路里，如图11所示。

2.电池包内随着时间变化(电池包的老化)会出现以下情况。

①单体电池容量差异；

②单体电池内阻差异；

③单体电池自放电差异。

以上这3个差异，都会导致电池组整体的储电能力还和工作能力严重下降。

3.客户在使用电动车时，应注意以下两个方面。

①充电时间；

②放电时间。

由于均衡的时间一般相对较长，放在什么时候做均衡比较好呢？一般对于插电式的NEV(电动车、新能源车型)来说，有3种状态：Park(停车状态)、Charging(充电状态)和Discharge(放电状态)，这个时间决定了均衡的目标时间。

4.外部环境影响，包括以下方面。

①不同温度下的自放电；

②不同SOC(剩余电量)下的自放电。

5.系统间的相互影响。

BMS电池管理系统的技术路线和工作状况会造成新的不均衡，比如电池管理系统的取电方法，电池采集线的布局形式，这些因素和BMS的工作状态有关系。

采用什么样的电池均衡方法，取决于硬件拓扑结构和软件的均衡算法两部分。

不同均衡方法的比较，如图12所示。均衡系统的目的是在比较良好的电池质量条件下，保证电池系统在苛刻的条件下长寿命运行。

六.电池组热管理系统

电池组热管理系统的主要功能有：①电池温度的准确测量和监控；②电池组温度过高时的有效散热和通风；③低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；④有害气体产生时的有效通风；⑤保证电池组温度场的均匀分布。

电池组热管理系统的关键技术有：①确定电池最优工作温度范围；②电池热场计算及温度预测；③传热介质选择；④热管理系统散热结构；⑤风机与测温点选择。

通过公式Q=C×M×ΔT=W×t ，即得热量=比热容×总重量×温升=功率×温升时间，可估算PTC的功率，这只是简单的公式，而真正难的是如何将热量快速均匀地传到每个模块每片电芯上，才是关键问题。

蓄电池在工作过程中，根据蓄电池最佳工作环境温度要求，EME会发出降温指令或升温指令，热管理从性质上可分为降温过程和升温过程。

降温热管理的目的是防止电池组的温度超过电池工作的最高温度，其要求还包括：控制电池组的温升，均衡电池箱内各点的温度，保持各单体电池的温度一致，防止因温度不同而造成电池组间的电池性能差异。

升温热管理，对于锂电池而言，低温下电池负极石墨的嵌入能力下降。因此，低温主要是对锂电池的充电有负面影响，对电池的放电则影响不大。在低温时，由于电池的活性差，电池负极石墨的嵌入能力下降，这时大电流充电很可能出现电池热失控甚至安全事故。因此，当电池管理系统监测到电池温度过低时会发出控制信息，通知充电机进行小电流充电。另外，由于低温（低于-10 ℃）环境下，电池的内阻会增加。在充电过程中，电池就会产生更多的热量，使得电池的温度逐渐升高。这样在进行一定时间的小电流充电后，当监测到电池的温度正常后，即可通知充电机恢复正常模式充电。

对于电池热管理类型的选择可以按传热介质进行分类，一般分为：空冷，液冷以及相变材料（如石蜡）冷却三种方式。

目前空冷散热通风方式一般有串行和并行两种，如图13所示，冷空气从左侧吹人从右侧吹出，空气被电池依次加热，越往右，空气的温度越高，冷却效果越差。电池箱内电池温度从左到右依次升高，导致电池模块温度分布的不一致性，影响电池的冷却效果。

如图14所示，并行通风方式使得空气流在电池模块间更均匀地分布。确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。

可以看出，空冷方式的主要优点有：①结构简单，重量相对较小；②没有发生液体泄漏的可能；③有害气体产生时能有效通风；④成本较低。缺点在于空气与电池表面之间换热系数低，冷却和加热速度慢。

如果设计不好同样会导致电芯的温度差加大,典型空气加热系统的数模图，如图15所示。

用热像仪拍出来的海马电动轿车在放电过程中的温度分布，如图16所示，最高温度与最大温度的差别已经大于15℃，这种情况会大大降低电池的能量利用率。

液冷系统是利用液体相对于空气有着较高换热系数，可将电池产生的热量快速带走，达到有效降低电池温度的目的。

液体冷却主要分为直接接触和非直接接触两种方式。非直接接触式液冷必须将套筒等换热设施与电池组进行整合设计才能达到冷却的效果，这在一定程度上降低了热交换效率，增加了热管理系统设计和维护的复杂性。

对于直接接触式的液冷系统，通常采用不导电且换热系数高的换热介质，常用的有矿物油、乙二醇等。对于非直接接触式的液冷系统，可以采用水，防冻液等作为换热介质。

随着纳米技术的发展，新型传热介质纳米流体不仅在科研，而且在应用上得到很大关注，纳米流体即以一定的方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中而形成的。研究表明，在液体中添加纳米粒子，可以显著提高液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能。因此将纳米流体应用于电池热管理技术将会是将一个新的研究发展方向，值得引起广泛的关注。

7.电池预充电管理

在电动汽车电机控制器内或者逆变器内有三个大的电容，每次电池包的主继电器闭合时，电池会给电容充电，在电池母线上会有很大的反向电流，我们一般称之为浪涌，这个浪涌电流高达1 000A，这个电流远远大于继电器最大承受电流，很多电器设计以250A为最大承受电流，实际上在驾驶员关闭汽车钥匙时，电容也会放电，继电器也不是马上打开，需要做一个延时，等电容两极的电压降到36V时才关闭主继电器，所以一般要求学员在5min内不能接触高压回路。如图17所示，预充电电路有负母线继电器K3、正母线继电器K2、预充电继电器K1、预充电限流电阻和控制继电器开闭的电池管理系统组成。预充电电路一旦出现故障，会导致 烧坏负载 、烧坏保险、使单电芯过充、烧毁继电器或直流接触器等。

当电池管理系统接收到KEY-ON信号时，先闭合负母线继电器K3，再接到star信号时，先闭合预充电继电器K1，500ms后闭合正母线继电器K2，然后再打开预充电继电器K1，这样做的目的起到电流缓冲作用。

在有些车型上，整车控制器会快速比较电池管理系统与电机控制器发来的总电压，当两个电压差值小于5%，向电池管理系统发出闭合正母线继电器的指令。(全文完)