纯电动汽车电池管理系统关键技术解析

吴立卫

摘 要：随着新能源汽车的投入使用，对于电动汽车的研究就不断的深入。在现阶段，新能源汽车中电池是最为核心的技术，尤其是电池管理系统的关键技术研究。在本文中，详细介绍了纯电动汽车电池管理系统情况，通过电池管理系统中存在的问题进行分析，从电池性能的角度出发，深入探究锂电池的使用原理，在利用SOC估算的数学模型，对电池组均衡性提出了解决方式，为保证电动汽车电池管理系统打下基础。

关键词：电池管理系统 荷电状态 均衡控制 信息采集

1 引言

随着社会对环境保护的意识加强，以及我国经济发展处在新旧动能转化阶段，绿色环保资源的使用得到了很好的发展。在传统的制造行业中，机械生产带来产能以及耗能，而绿色资源的产生既能满足发展的需要，也是对于环境保护起到了积极的作用。在汽车制造领域中，新能源汽车的发展迅猛，以纯电动车为代表的汽车生产力得到了很大的提高。在分析和研究新能源汽车发展的过程中，电池是新能源汽车制造的核心因素，尤其在汽车的管理控制系统中，电池也发挥了重要的作用。汽车电池系统在运行中主要是对电量信息使用采集和过程电能保护的效能，在功能中发挥电池的安全性和保障性，利用电力线路中的电压和电流控制，实现电池的温度把控，根据实施的运行状态，及时对电池系统管理起到调控的作用。因此，对于电动汽车的发展研究必然要对电池管理系统进行深入研究。

2 纯电动汽车电池管理系统情况分析

结合电动汽车在使用中，电池发挥动力配置的功能特点，并且结合电池管理系统在电动汽车整体系统中的特性，主要将电池管理系统分为以下几种情况。一是电池管理系统在使用中对各项使用数据进行动态采集。在数据中，根据不同状态下的电池信息，分析电池组使用基础数据，同时结合电动车的启动情况，掌握汽车的基本指标。二是在电池管理系统中，系统对于电池的充放电进行有效的管理，在完成充电管理中，及时调节电压和电流状况，保证线路负载安全，利用切换放电模式，根据汽车动力方式，调节电流幅度。考虑到电池控制系统的管理功能，在过程中单体电池还需要进行SOC计算，将荷电的基本情况进行计算，是否满足电池组的使用需求，将评估结果作为性能使用和可靠性的判断指标。三是在管理系统中还能起到故障检测作用。当汽车出现故障或是不良情况，电池使用就會出现异常情况，检测系统根据数据的变化趋势分析出故障的基本情况，对于电池线路进行监测，其次对于整体的线路路径进行查询。根据检查的结果形成保护动作元，及时对故障进行保护性处理。通常情况下，在系统短路或是线路出现反接的情况下，监测系统及时将故障情况进行报送。

电池管理系统还具有系统的处理平衡能力，在纯电动汽车的开发中，电池主要采用锂电池作为动力保障，根据多组和单体电池的性能区分，会在使用中对单组电池造成消耗，严重时造成电池供电不均衡的情况。电池系统对于这种现象进行平和，对于电池电量的使用达到均衡的状态，还能起到节约电能的效果。但是，在研究中发现，电池管理系统作为电池组的平衡功能存在一定的技术障碍，现阶段是研究的重点，尤其是在拓扑环境中根据结构的变化，采取最为合适的控制策略以达到电池管理的实际用途。在人机交互中，电池管理系统根据电量的变化，及时在状态显示中将即时情况进行展示，对于操作者掌握电池系统运行情况起到帮助作用。在电动汽车使用中发现，电池系统受到温度的影响较为明显，在极端或是恶劣环境中，电池消耗比正常情况有所提高。电池管理系统在过程中也能对温度进行一定的调节，尽可能保证电池系统在适温下运行。

3 纯电动汽车电池管理关键技术分析

3.1 锂电池参数分析

在上文提到的SOC模型中，根据估算的情况变化，对电池内部进行电化学分析，再动态的对系统特性进行表达。在数学模型中，电路中模拟电池内部的反应情况，根据基尔霍夫定律，在状态方程表达中，根据充放电的特性在内外应因素的作用下，根据锂电池的非线性原则，在模型中以类型进行区分。其中存在Rint模型利用电池的欧姆内在，利用电压U和电阻R的变化情况描述电池基本状态。

Rint模型为等效电路，在复杂的电路图中演化而来，根据电量的关系模拟电池的动态。在实际的使用中，由于等效电路各个参数指标相对变化，能够很好的在交互页面中显示电池的变化情况。

3.2 电路基本情况

在电池组静止一段时间后，电压的变化会对充放电的结果产生一定的延迟性，根据电压的变化情况，将SOC与电压值相互转化，根据放电动作完成后，电池静置的时间判定电压的变化情况。在电压值达到稳定后，根据实验结果曲线得到内阻情况

公式中，Rd为放电过程中电阻值，Rc为充电过程中的电阻值，I1为放电过程中电流，I2为充电过程中电流，在电池组的充电中，电阻值发生改变，根据电阻的变化曲线能够掌握欧姆电阻R0情况。

3.3 锂电池SOC估算

精准的对锂电池的性能进行估算能够对电池组的充放电情况进行控制，为满足纯电动车的电池管理要求，利用积分法和开路电压的方式对电池荷电状况进行计算，通过不同中的策略组合，取得电池使用的最佳情景。

3.3.1 开路电压法

在函数关系中明确了电池电压和荷电之间关系，在电池使用后，根据充分放电的机理，将电池进行短暂的静置，得到的电压可以认为是默认电压，电压的变化情况根据数据的变化及时调整。在开路状态下，电压形成电动势。在多次的计算实验中，SOC曲线根据充放电情况进行变动，尤其是在充放电的初期和结束阶段，实验中也证明，在不同的时间段，电池的消耗程度影响和电压的变化有直接关系，排除新旧电池在实验中的不同，实验结果也是高度的一致。在开路电压的测量中，还会受到外界的干扰，温度变化对于电池的特性影响较为明显，开路电压在极端温度下对SOC估算的精准度有所偏差，利用电池静置的方式才能短期消除电压和电池容量对系统参数的影响。

3.3.2 积分法估算

积分估算分是计算荷电的另外一种途径，根据电流变化的积分计算，得到区间内SOC的变化情况，在起始和终止阶段的电流瞬间值的采集，得到荷电基本状态，并结合电池组额定的容量，检测出电流的变化。在实际的操作中，积分法对于前后的测量值会出现误差，根据电流的变化趋势对积分法的估算值进行调整。

4 纯电动汽车电池管理系统均衡分析

4.1 并联电阻式均衡

并联电阻法是最早使用的一种能量耗散型均衡方法，它所采用的均衡策略是在每节单体电池的两端并联一个能耗电阻，当某节单体电池的能量过高时通过接入能耗电阻消耗其能量，使其恢复至电池组平均水平，防止过充电现象的发生。电池管理系统实时采集每节单体电池的各种信息。当发现某一节单体电池的电量明显高于其它单体电池时，控制系统将接通与其对应的开关使能耗电阻接入电路，将其多余的电量消耗以保证维持电池组系统平衡。

4.2 开关电容式均衡

开关电容式均衡由于理論上在应用中并没有能量的损耗，这种方法属于一种非耗散型均衡，它是利用电容作为能量搬移的中间载体，实现了不同单体电池之间的能量的转移。每个电池单体与两个开关电容相连，每个电容通过导线与相邻的两节单体电池形成回路，实现两节电池之间的能量转移。开关电容均衡是通过二极管控制电容的导通性来实现对电池的均衡。在控制信号间隔期间两组开关都处于不导通状态，这样的设计可大大降低由瞬息大电流的流动而造成短路现象发生的可能性。导通控制信号轮流导通左连接和右连接来控制能量在相邻电池之间流动，减弱相邻子组的不均衡，从而使各子组电压达到平衡。

5 结语

本文通过对纯电动车性能参数进行对比，对锂电池的工作原理进行了介绍并进行了电池管理系统的功能设计和结构设计。利用SOC估算的方式，在数学计算的模式下提出了电池组的结构分析方案，主要是通过拓扑结构和均衡策略的分析，保证电池组在极端和温度变化环境中的安全稳定。同时对电池管理系统硬件部分进行了设计与分析。由中央控制器对各功能模块进行控制和管理，各功能模块之间独立分工又相互合作，保证了系统的正常运行。在未来的研究中，纯电动汽车电池系统中建立等效电路模型和系统参数辨识增加了难度，如何建立一种更高精度的电池模型，并设计一种简单且高效的动态参数辨识方法仍然需要进一步的研究和实验。

参考文献：

[1]陈立文.电动汽车锂离子电池管理系统研究与设计[D].成都：电子科技大学，2013.

[2]罗玉涛，张保觉，赵克刚.基于神经网络的动力电池组SOC辨识方法化电池技术，2013.