基于AMESim的电动汽车电池安全管理系统控制研究分析

吴志敏

（南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏 南京210037）

0 前言

能源紧缺以及环境恶化等问题的出现使得纯电动汽车成为当今汽车行业重点研究对象，而动力电池作为其动力来源，它的性能直接关系到整车的运行状态[1]。纯电动汽车的电池管理系统（BMS）主要负责监测动力电池的状态，实时地将电池的电压、电流、温度等信息显示出来，防止电池出现过充或者过放等情况，合理管理管理电池工作，以提高电池效率，当出现问题或故障时，向驾驶员发出警告。安全性是行车的首要条件，所以保证电池的安全性是BMS的重要任务[2]。纯电动汽车的电池安全性主要保护电压保护、电流保护、温度保护等。电池在充放电状态及闲置状态时，由于自身或者环境的原因，可能出现电池电压、电流及温度超出正常允许范围，这时就需要BMS可靠地对电池实施保护[3]。电池的安全管理单元（SCU）主要是保证动力电池组在正常工作范围内工作，当电池电压、电流、SOC等参数超出电池安全范围时，SCU就要控制电池的工作状态以保证电池能够安全可靠地运行。

AMESim（Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，高级工程系统建模环境）是由法国IMAGINE公司1995推出的主要用于机械、液压方面的建模分析软件，后被LMS International收购，该软件提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以建立复杂的多学科领域系统的模型，并进行仿真计算和深入的分析[4]。现主要应用于航空航天，车辆、船舶、重工制造业等。

1 电池模型建立

锂离子电池具有高比能量、高比功率、无污染、寿命长、体积小等特点，因此本文选用磷酸铁锂电池[5]。AMESim软件中有相应的电池模块，可直接调用，只需设置相应电池参数。如图1所示为SCU模块，通过接收端口4的电压信号、端口5的电流信号、端口6的SOC信号以及端口7的温度信号，根据设定的电池安全运行参数，控制端口1、2、3的电流输出，以确保电池系统的安全使用，根据不同的工作条件，SCU将为电池提供最大容许电流。SCU利用电子传感器提供的数据，如电压表检测的电池电压和电流表检测的电池输出电流），温度传感器和电池充电状态估计，然后利用这些信息来计算能被电池接受的安全范围。本文锂电池模型设置为100个2.3Ah的小锂电池串联为一组，然后10组并联。

根据整车结构在AMESim中搭建整个电动汽车仿真模型，如图2所示，主要包括工况模块、驾驶员模块、整车模块、整车控制器模块、电机模块、电池模块、电池安全管理单元（SCU）等。在此模型中，驾驶员将按照工况所要求的速度发送驾驶指令。整车控制器在满足驾驶员需求的同时，综合考虑电机能力和电池的安全限值，并将相应的转矩发送给电机，电机将按照控制器发送的要求力矩驱动车辆行驶。

图2 电动汽车整车仿真模型

2 参数设置

整车控制器试图满足驾驶员的操作意图，但是电池安全管理系统则给出电池安全限制，因此会限制相关输出。通过改变相关参数，可以得到SCU对于不同的状况的安全处理。

参数设置为模拟4个工作条件，如表1所示：

表1 设置模拟4种工作条件参数

（1）标准正常情况：最初的电池SOC值设置为90%，以20℃的外部温度和电流限制，是典型的高功率电池。

（2）电池电量不足：将SOC设置在10%；

（3）外界温度过低：将环境温度设为-20℃

（4）规格较小的电池组：采用的是高功率型的电池组，却使用了高能量电池的电压和电流的限值。

3 仿真结果分析

3.1 正常情况

当电池组在SCU正常工作范围内工作时，可以发现整车处于较好的控制状态。如图3所示。当输入电流与所设置的电流限值相比，还没有达到极限，电池的尺寸是足够正常情况使用的（20℃和最大充电状态）。而且，电池管理单元的瞬时限制是由电流范围的限制（例如200s和300s之间）或电压范围的限制（例如900s-1100s之间）。

3.2 充电不足的蓄电池

在NEDC工况测试时，要求电池的能量能从工况开始，直至工况结束，电池安全策略要求低压限值保证电池不会过放电，但是充电不足的电池就不会按照NEDC循环结束，如图4所示，整车控制器控制的车速最后并不会按照原定工况运行，放电电流也逐渐趋于0，电池电压无限接近电压下限值。电池安全管理系统在低电池处于SOC状态时，会限制电压范围到0%SOC时的电池开路电压，以避免电池过放电[6]。

3.3 环境温度低

环境温度是电池正常工作的一个基本保障，低温环境则是一个典型的电池问题。因为在较低的温度下，电池内部电阻升高和超电势较高，从而导致电池的可用功率减小，以及根据控制策略要求，整车控制器可能无法满足驾驶员驾驶要求[7]，如图5所示，当需要一个高加速度时，电池可用的功率是不足以保证控制速度的。此外，在郊区循环工况中，可用功率不足以控制车速达到120km/h，这由放电电流及电压值也可以看出。如图（a）所示，在城市循环工况中，当电池不能提供足够的功率时，有4个加速度，分别在130s，325s，520s和715s。由于电池温度太低，为了防止欠压，电池安全控制单元只能降低整车功率。

4 结语

作为电池的安全管理系统，SCU能够很好地保护电池在正常范围内工作，根据不同的参数设置，不仅可以看出SCU对电池安全作出的控制策略，也可以看出整车控制器与SCU的协调工作。

［1］李海军.电动汽车电池管理系统研究[D].山东：山东理工大学,2008.

［2］王佳.纯电动汽车能量管理关键技术及高压安全策略研究[D].北京：北京理工大学,2014.

［3］Gang Ning，Ralph E White，Branko N Popov.A generalized cycle life model of rechargeable Li-ion batteries Electrochimica Acta[J].2006(51)：2012-2022.

［4］胡安平.基于AMESim-Simulink联合仿真的再生制动系统研究[D].吉林：吉林大学,2008.

［5］黎林.纯电动汽车用锂电池管理系统的研究[D].北京：北京交通大学,2009.

［6］K.W.E Cheng，B.RDivakar，Hongjie Wu，Kai Ding，Ho Fai HO.Battery Management System(BMS)and SOC Development for Electrical Vehicles[J].IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY，2011，60(1)：76-88.

［7］桂长清.温度对Li FeP04锂离子动力电池的影响[J].电池,2011,41(2)：88-91.