电动汽车大容量锂电池管理系统设计

王彬 张晓烽

摘要：自从改革开放以来，我国经济发展水平有了很大程度的提高，与此同时，电动汽车行业的发展方兴未艾，电动汽车成为人们的日常生活中是不可或缺的最基本的交通工具。随着科研水平的不断提升，人们对电动汽车的锂电池管理系统设计有了更高的需求，大容量锂电池的设计创新越来越引发大众的关注。因此，我国应该加深对电动汽车大容量锂电池管理系统的设计，提高性能和系统稳定度，更加电动汽车的实用性。文章对目前我国电动汽车锂电池的设计情况进行分析，并阐述了应该如何进行大容量锂电池管理系统设计，满足人们的需求。

关键词：电动汽车；锂电池；大容量；系统设计

目前，我国电动汽车行业虽然得到了快速发展，但是还存在着很多问题。我们应该结合实际从电动汽车的锂电池管理系统设计进行改善，尽可能最大限度地发挥锂电池的大容量和最佳性能，通过创新设计从各方面对电动汽车进行全方位的综合提高。特别是近些年来，全球都遭遇着能源危机和环境破坏的困境，为了经济和环境的可持续发展，我们要对电动汽车进行改善。在电动汽车行业中，电池是电动汽车中最核心最重要的部分，它是电动汽车的动力来源，也是使用电动汽车的最主要因素。因此，锂电池的系统管理设计的好坏对于一个电动汽车的性能有着很大的影响。如何进行电动汽车大容量锂电池管理系统设计是改善锂电池系统产品在使用寿命、稳定性、可靠性、安全性都完全符合汽车级要求上的关键。

1 锂电池系统管理设计

锂电池管理系统的主要任务是保证电池系统的设计性能，可以分解成如下三个方面：1）安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故；2）耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命；3）动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。

锂电池安全工作区域受到温度、电压窗口限制，超过该窗口的范围，电池性能就会加速衰减，甚至发生安全问题。为了解决这些问题，目前电动汽车锂电池系统产品必须连接电池管理系统（BMS Battery Management System）。BMS由各类传感器、执行器、控制器以及信号线等组成，应具备以下功能：1）电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电压、温度检测、烟雾探测、绝缘检测、碰撞检测等；2）电池状态估计。包括荷电状态（SOC）或放电深度（DOD）、健康状态（SOH）、功能状态（SOF）、能量状态（SOE）、故障及安全状态（SOS）等；3）在线故障诊断；4）电池安全控制及报警；5）充电控制；6）电池均衡；7）热管理；8）网络通讯；9）信息存储；10）电池兼容。

大容量锂电池管理系统广泛的温度适应性才能满足电动汽车大范围推广的必要条件。要满足这一要求，高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为标配。液冷/液热系统的设计目标是在30%～50℃环境温度和各种模拟工况下，将电池单体的工作温度控制在15%～45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。综合运用仿真分析和测试验证等方法，达到液冷/液热系统的最优化设计，才能做到30%～50℃的使用温度范围以及大倍率和长寿命使用。另外，液冷/液热系统的设计，必须与整车的冷却循环系统相互匹配，与锂电池管理系统的结构设计高度集成，必须达到极高的热交换效率。

提高大容量锂电池管理系统的PACK集成效率是电动汽车增加动力、提高续航里程的关键因素。这就需要我们从两个可行的途径进行优化设计：一是优化大容量锂电池系统内部的结构设计，大幅度减少系統内部的组件数量，从而减轻重量；另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也可以减轻总量。

2 如何解决锂电池系统设计中存在的问题

尽管锂电池系统有许多功能模块，但在设计中也存在不少的问题，比如电池电压测量，数据采样频率同步性，电池状态估计，电池的均匀性和均衡，电池故障诊断的精确测量等，本文仅分析和总结电池电压测量和数据采样频率同步性两点问题。

电池电压测量的难点存在以下几个方面：1）电动汽车的电池组有数百个电芯的串并连接，需要许多通道来测量电压。由于被测量的电池电压有累积电势，并且每个电池的累积电势都不同；2）电压测量需要高精度，SOC估算对电池电压的精度提出了很高的要求。为了保证上面两点，目前电池的电压和温度采样都采用集成化芯片。

信号的采样频率与同步对数据实时分析和处理有影响。电池系统信号有多种，同时电池管理系统一般为分布式，如果电流的采样与单片电压采样分别在不同的电路板上，信号采集过程中，不同控制子板信号会存在同步问题，会对电池系统内阻的实时监测算法产生影响。为了保证电压同步，每个采集子板中单体间的电压采样时间差越小越好，一个巡检周期最好在25ms内。子板之间的时间同步可以通过发送一帧CAN参考帧来实现。

3 结语

为了更好地发展我国的电动汽车行业，需要对锂电池的管理系统设计进行深入研究。相关设计人员应该不断探索，积极吸取国内外的优秀建议和先进科学技术，尽最大努力完善锂电池的性能，提高电动汽车的综合性能。除此之外，在锂电池管理系统的设计上，我们还应该遵守政府倡导的建立“资源节约型，环境友好型”社会，采用绿色节能材料进行设计，节约电动汽车的能耗问题。相关企业还要建立起一套完整的锂电池管理系统的评估监测系统，一旦出现问题，及时采取科学有效的措施对其进行解决，避免更大的损失。

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