浅析混合动力汽车电池管理系统（5000/20）

汪洋青　段慧云

摘 要：如今，人们越来越关心自己所驾驶的交通工具。目前，我国大部分汽车仍然使用石油、天然气等燃料，其排放的尾气对环境和气候产生了很大的负面影响，同时燃料消耗也日益增加。混合动力车是汽车领域中的一大亮点。它具有低排放、低能耗的优点，克服了纯电动汽车使用寿命短的缺陷。与传统的汽车相比，混合动力汽车最显著的特点是在动力系统中加入了能量电池。在低污染、高经济性的基础上，对发动机和蓄电池进行了协调。鉴于能量电池在汽车领域中的作用，要对其进行有效的管理，这是电池管理系统的职责。

关键词：混合动力汽车 电池管理系统 荷电状态

A Brief Analysis of Battery Management System for Hybrid Vehicles（5000/20）

Wang Yangqing Duan Huiyun

Abstract：Nowadays， people are more and more concerned about the vehicles they drive. At present， most of China's cars still use oil， natural gas and other fuels， and the exhaust emissions have a great negative impact on the environment and climate， while fuel consumption is also increasing. Hybrids are a highlight in the automotive sector. It has the advantages of low emissions and low energy consumption， and overcomes the shortcomings of short service life of pure electric vehicles. Compared with conventional cars， the most significant feature of hybrid vehicles is the addition of energy batteries to the powertrain. On the basis of low pollution and high economy， the engine and battery are coordinated. Given the role of energy batteries in the automotive field， it is the responsibility of the battery management system to manage them effectively.

Key words：hybrid vehicle， battery management system， state of charge

隨着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，汽车已经成为人们日常出行的主要交通工具。但是，环境问题也随之而来，如环境污染、能源危机等。如何有效地节约能源，降低污染的排放量，已成为当今世界各国面临的一个重要问题。混合动力电动车的研发和推广具有很大的发展潜力。

1 混合动力汽车研究近况

混合动力汽车是近几年来汽车工业中的一个热门话题。这是因为现代社会的能源危机，使得人们意识到了对新型能源的需求。在主要工业国家中，能源消费所占的比重高达24%，而如今，在各个行业中，电池正逐渐成为人们关注的焦点。因为电池无污染，应用在汽车上可以实现零排放，有助于解决汽车造成的环境污染。汽车的发展，对能源和环境都有很大程度上的影响。随着混合动力电动技术不断成熟，电池也在迅速推广[1]。混合动力汽车电池技术的发展，使其在能量管理方面有了很大进步。我国对于电池研究起步较晚，但经过几十年来不断地努力与创新。目前国内已经研发出一系列不同类型、性能优异的新型锂离子蓄电体和燃料油存储器等产品；国外也正在积极开发新材料、新工艺及应用领域中取得突破性进展；一些发达国家正致力于建立高效可靠且成本较低的动力汽车储能系统，并在电动汽车电池技术方面进行研究工作[2]。

2 混合动力汽车的关键技术

按照《电动技术委员会》第69条建议，混合动力汽车（HEV）是一种由两个或更多个不同的能源供给混合动力的车辆，在这些能源中，至少有一个能源供应。现在，国内外的专家们已经基本形成了一致意见：混合动力汽车不仅仅是电动汽车的一个转折点，更是汽车行业将要面对的一次变革。众所周知，燃料电池是电动车商业化、产业化的最大希望，然而由于其不可逆性，仅以燃料电池为动力源，无论在刹车、减速过程中，都不可能完全恢复其动力，而现在新能源车的电池问题更是一个亟待解决的问题。所以，燃料电池必须和蓄电池一起构成一个混合动力系统。因此，混合动力电动车产业化发展势在必行[3]。要使混合动力汽车得到进一步的发展，并将其产业化，必须解决下列几个关键技术：

2.1 电池技术

混合动力汽车的电池与电动汽车的工作状态是不一样的，其充电速度和效率都是很高的。所以，对混合动力电动车的电池要求既有高的能量密度，又有较高的功率密度。发展高性能、低成本、长寿命的电池一直是混合动力汽车发展的重点。

2.2 电池管理系统

电池的放电深度、充放电电流的大小、车辆的行驶状况等都会对电池的寿命、充放电效率、内阻等产生一定的影响。同时，国内对蓄电池的恒流放电性能和电流放电性能的研究也仅仅限于对其进行分析，因此，建立一个适合电动车实际使用情况的能源管理模型是十分必要的。为了构建一个适合于实际工作环境的蓄电池能量管理系统，为负载平衡控制器提供可靠的控制参数，是当前混合动力电动车研发中亟待解决的问题[4]。

3 电池管理系统概述

3.1 什么是电池管理系统

对于混合动力汽车的电池组管理系统，它是通过对发动机、蓄电池以及电动机等部件进行优化组合的方式来完成电机驱动系统和蓄电池控制系统之间合理地结合。在设计过程中首先要考虑到的是如何实现电机最佳的工作模式。其次就是如何选择合适类型的电机。最后还要考虑怎样能够有效提高效率并且降低成本问题，从而使其可以更加环保节能，还能为环境做出贡献达到双赢效果。在设计过程中要考虑到电池组的工作模式和电机功率大小以及电机类型等因素综合来确定其是否能够正常运行。电池管理系统主要有三大部分：（1）传感器的采集。传感器在汽车上进行工作，其功能是把汽车行驶中所需要的各种信息转化为电信号，然后再传输到控制单元ECU从而使电机能够根据指令完成相应动作。（2）充放电管理及维护。充放电管理主要是根据电池的工作状态来对其充电过程进行控制，从而达到延长电池寿命、减少能源消耗等目的。（3）安全监控及维护。在汽车上使用电池时需要检查蓄电量是否充足以及温度状况和电机转速情况，以免发生意外事故或造成不必要损失；负责判断当前系统内电源电压能否正常运行并记录数据以便于故障诊断与维修，同时也能对电池进行过充电保护，防止损坏电池引起火灾、爆炸等危险事件的发生。

3.2 电池管理系统工作环境

电池管理系统的工作环境主要包括：①温度和湿度。在正常情况下，随着储能装置充放电次数逐渐增加，系统中所储存的电量会慢慢降低。因此当系统处于高温或低温条件时或者充电电流过大时会对蓄电设备造成损坏；②酸碱腐蚀性气体及电解液浓度变化等因素影响着该部件寿命以及性能指标是否合格、电池容量大小与温度和湿度密切相关。当电池容量过大时，会使系统中的电极材料发生化学反应，从而导致充电终止，严重时会造成蓄电量不足。因此在充放电过程中会产生大量酸性气体和电解液。如果充放电过程中，充电电流过大，会导致电池容量下降，甚至失效[5]。

4 动力电池系统的建模与分析

4.1 动力电池模型

在实际的车辆行驶过程中，混合动力汽车的能源消耗是通过动力电池来实现，但是由于其自身特性以及能量密度等限制因素（如热稳定性、循环寿命和温度）使得汽车上存在着一些问题。因此需要对现有锂离子电池模型进行改进优化，从而提高性能以达到节约能源，降低污染排放的目的，在实际应用中，动力电池是一种高效且成熟的储能装置，其工作原理与铅蓄混合动力电动车辆相比更为简单，但是由于它具有高能量密度和循环寿命长等优点。同时锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高和低噪声等缺点，所以其在汽车上的应用越来越广泛。动力电池的充放电过程是循环的，在整个充电过程中，当汽车停车、启动的时候锂离子电池端电压较低导致其容量衰减慢；车辆停止后由于能量密度高和使用时间长会造成其寿命缩短。所以为了提高它工作性能就需要改进传统混合动力系统[6]。

4.2 混合动力汽车动力系统建模步骤

建立电池管理系统的物理模型。在对系统进行分析后，将复杂问题抽象为简单化，通过建模得到各子系统之间相对关系。建立一个简化、直观且易于理解的混合动力系统数学模型。该过程是：首先通过MATLAB软件绘制出理想状态下汽车发动机工作点；然后再根据所设条件确定电机功率和传动比并计算动力总成重量损失值及燃油消耗率等参数；最后在计算机上进行仿真运行达到理论分析效果，最终实现对系统性能优化设计。在建模过程中需要对每个子系统都进行仿真计算，并通过模拟真实环境条件下系统性能优化效果。由于电池管理系统是一个非线性工程模型分析方法。所以要建立合理、準确和高效混合动力系统数学模型必须满足以下要求：首先在构建发动机控制系统时应考虑到各部件之间存在着相互作用及相互制约关系；其次电机功率与传动比的选取也需符合实际情况；最后对电动机参数进行仿真计算并得出最佳工作状态，为系统设计提供理论依据。

4.3 动力电池系统的仿真计算

电池系统的仿真计算是通过对整个装置系统中各部件进行参数优化，使其达到最佳工作状态。在实际应用过程里，由于各种原因造成了电池单体容量和输出功率波动较大。因此为了减少这种影响因素可能需要对每个零部件都做更细致地分析与研究，以保证整个设计更加合理可行；也可以利用计算机软件来模拟电动机、控制器等部件的运行状况，并通过仿真计算得到结果与实测数据进行比较，从而获得性能最优参数，为电机和发电机优化提供一定依据。在实际使用过程中，由于各种原因导致电池单体容量和输出功率波动较大，从而使整个系统的性能受到影响。因此，在进行仿真计算时应考虑各部件之间的匹配问题。在对电池系统的仿真计算中，为了简化分析过程，通常是把整个装置分为若干个单元模块进行计算。每个部件都根据各自特点来选择相应参数，如蓄电池、充放电控制器等。在实际应用中则可以通过软件模拟其电压、电流和功率特性，从而得到最佳输出功率曲线并与实测数据比较而获得性能最优结果（即能量利用率）最大化或效率最高的优化效果，这也是该系统设计中最重要部分之一，对整个装置的仿真计算有着非常重大意义。在对电池组的仿真计算中，由于每个单体都根据实测数据进行了参数匹配，因此需要考虑到不同模型之间的差异。例如：蓄电池组与发电机并联时其输出功率较低；电机和发电机串联后输出电压最高。

5 混合动力汽车电池管理系统的控制策略

5.1 混合动力汽车电池管理系统控制器

控制器主要是通过控制电池组的充电速率和温度，从而达到延长其恒流输出功率，提高动力蓄电池循环寿命的目的。目前常用的是串联式锂离子能量管理系统。在该系统中使用了两个继电器来完成电路功能。当充电接口开启后与控制器相连，控制器控制电池组充电过程中的电压，当汽车行驶到终点时，系统会自动切断电源并使其恢复恒流状态。

5.2 混合动力汽车电池管理系统控制策略与管理

在电池管理的过程中，控制策略是非常重要且必须要考虑到的。对于混合动力汽车来说，电池管理系统控制系统主要包括：对蓄电状态进行监控、充电模式和充放电电流等。

（1）对蓄电量监测与控制

当储能装置工作时可以根据不同车型所需电压来设定不同值。例如：当行驶里程达到一定数值后需要停止供电或通过控制电路调节至恒流源的方式使其维持在一个恒定值，当蓄电池电压低于恒压源的充电电流时，控制电路就会输出一个低电平，此时汽车可以在稳定状态下使用。在对蓄电池进行充放电时，由于充电电流的波动，系统需要监测其电压，并根据不同用户的要求来控制功率输出。为了保证汽车能有一个良好性能和安全稳定运行状态下所需充、放空容量以及温度等参数可以达到标准规定值。因此要实现这个功能就需要对蓄电池组内电压进行监控与调节;在充电完成后及时调整充放电速度以延长蓄电池循环寿命周期;同时还必须考虑到不同用戶的特殊需求。

（2）控制充电电流的大小

当电池充满电时，储能装置需要切换到恒压模式或者是快速充放电状态，这样就可以通过调节电压来实现对蓄电池进行不同程度地保护，也能够让汽车在行驶过程中保持恒定不变。混合动力汽车的电池组一般采用串联或并联的方式，在充电前，要将整个系统进行分段，这样就可以把各单体充放电路和控制电路连接起来，对蓄电池电压、电流大小及容量等参数实时监测与调节。当储能装置内出现空闲状态时，及时停止给其解压阀处注入一定量电能;而当充电终止后，再进入到下一个循环过程，来控制电机的输出功率，使混合动力汽车达到最佳运行速度。

6 结语

综上所述，我们可以了解到，混合动力汽车的电池技术发展已经有了很大程度的进步。但是我国目前还处于研究和试验阶段。因此需要大量投入资金来解决这一问题，使其在国内市场能够得到长远发展；其次要从国外引进先进设备以及技术进行改进与创新。最后是对充电设施进行升级改造以适应更多车型性能需求等措施来提高混合动力电动汽车产品质量并促进产业化进程，从而带动整个行业的进步。随着市场的发展，混合动力汽车越来越受到人们关注，而在我国也开始重视起来。因此研究并完善这一新兴产业将具有十分重要的意义。

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目：基于插电混动系统电池能量管理与分配技术的研究，项目编号：GJJ204007。

参考文献：

[1]姜久春，牛利勇，张欣.混合动力汽车电池管理系统的研究[J].高技术通讯，2004，14（6）：75-77.

[2]樊成，徐强，王磊，等.混合动力汽车电池管理系统研究[J].湖北农机化，2019（4）：47.

[3]伍星，王杰.混合动力汽车电池管理系统的分析[J].机械制造与自动化，2008，37（5）：148-150.

[4]胡明辉，秦大同，舒红，等.混合动力汽车电池管理系统SOC的评价[J].重庆大学学报（自然科学版），2003，26（4）：20-23.

[5]张茜.混合动力汽车电池管理系统的均衡策略分析[J].湖北农机化，2020（4）：168.

[6]张忠义，羌嘉曦，杨林，等.混合动力汽车电池管理系统[J].机电工程技术，2006，35（1）：61-64.