大容量動力鋰電池組管理系統研究

韓改弟

摘 要：新能源汽車的關鍵技術之一是動力電池。作為影響電動汽車整體成本的關鍵環節，動力電池的質量對電動汽車的續駛里程有直接影響。因此，通過研究開發大容量動力鋰電池組管理系統，可實現對電池組的功率、電量、工作環境等多種技術指標的在線檢測，對電池組的剩余電量進行動態估計，進而實現高效率、高節能和精準化的電池管理。

關鍵詞：動力鋰電池組；SOC；模塊設計；石油

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.062

近年來，由于日益嚴重的環境污染問題和日益增長的石油和能源消耗，作為電動汽車發展關鍵技術的電源管理系統，受到了政府和世界主要汽車制造商的關注。大容量動力鋰電池組管理系統包含多個處理模塊：數據信息采集模塊、SOC估計模塊、電容監控模塊、安全保障模塊、熱效應控制模塊、數據通信和顯示模塊等。其中，多種能源模式綜合利用與優化功能是通過SOC估算模塊、電氣控制模塊綜合實現的，可提高能源轉化效率。延長用電時間功能是通過安全管控模塊和熱管理模塊綜合實現的。

1 數據信息采集模塊

目前，根據電動車電池的功率、電量、工作環境等技術指標的動態變化等明顯特征，有針對性地開展研究工作，以保障該領域數據信息采集的精確度，是主要的途徑。在電動車電池管理系統的整體規劃與設計中，針對前端感知系統采集到的信息數據進行實時處理，這是對電動車電池實現合理有效管理和控制，可確保其功能的穩定發揮。對于目前市場上現有的主流產品的實際情況，鑒于鋰離子電池的安全性要求較高，具有內部阻抗高、工作電壓變化較大等缺點，因此，通過提高系統前端設備信息采集精度，實現對每個單體電池電壓的實時監測尤為必要。

2 SOC的估計模塊

實現對電動車電池剩余容量的精確檢測一直是該領域電控系統中的重點和難點。安時法主要是通過記錄電池流出能量或輸入能量，進而借助電流積分的方法實現在線監測，再結合電池初始記錄，就可以計算出電池的電量情況，并及時將信息反饋給系統。該方法簡單易行，與其他方法相比，具有成本較低、互動反饋良好等特點，且短時間內信息采集精度較高，但由于其自身的問題，該算法不能實現持久、獨立使用。與傳統算法相比，各種新型算法目前尚不成熟，甚至有些算法非常復雜，不僅對系統運行環境的要求較高，且在單片機等獨立運行的系統上難以實現。受到以上因素的制約，這些新型算法在實際應用中還不多見，目前多數尚處于試驗階段，距離投產還有一段距離，但這是未來發展的方向。

3 電能電量監控模塊

目前，動力電池一般由多節較大容量單體電池串聯而成，由于單體電池之間存在不一致性，導致其使用環境受到較大的限制，且其配套的電池管理系統的電能電量監控模塊也是研發工作的難點，該模塊的技術水平直接影響了電池組的使用水平。電能電量監控模塊的功能主要是實現充電過程的安全、可靠，通過對電池進行動態均衡充電，實時監測電池的工作狀態以及工作環境等影響電池載體性能發揮的外部因素，進而開發和設計相關電池類型和控制電池充電、放電的算法模型，并將其投入到電池的實際生產中，建立電池管理系統的充放電控制規范。

4 安全管理模塊

電池動態管理系統在安全管理技術研發方面主要側重于對電池的保護，通過提高載體的絕緣能力、導電能量等硬件措施以及信息傳輸效率、前端設備感知能力等軟件環境，可實現對高電壓和高電流等危險因素的有效管控。為了實現電池在整車中的安全使用，必須通過在電池管理系統中建立完善的安全管理模塊，而這方面技術的發展與行業整體發展水平相比仍有一定差距，雖然該模塊的研制工作一直都是國內外各大知名汽車生產商和科研機構當前所面臨和必須解決的問題，但受限于系統功能整合以及相關軟件設計水平等，進展較慢。

5 熱管理模塊

多年實踐發現，電動車電池的工作性能受到工作環境溫度影響較大，甚至會影響到電池的使用壽命，進而影響電動車的使用。此外，鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池的最佳工作溫度為25～40 ℃，雖然現在很多科技企業及研究機構已經通過提升技術水平等將產品工作溫度范圍進行了擴大，但電池產品一旦工作溫度變化超出以上范圍，將導致電量均衡管理系統、電容、內阻和內存電量等產生明顯差異。同時，溫度的變化也是引起電池均衡問題的誘因之一。因此，在電池管理系統中通過增加熱管理模塊，可實現對產品的工作環境可調，是目前行業內的主流做法。

6 數據通信和顯示模塊

目前，每個BMS都設置了與計算機相連的通信端口，以實現通過計算機對電池數據信息進行分析控制。在電動汽車電池管理系統中，通過CAN總線通信方式進行數據傳輸是主流方式，該模塊也是電池管理系統的重要組成部分。該系統主要采用LIN總線通信，在采用智能電池模塊時，系統可以通過其數據通信和顯示模塊中的電力微波方法與控制器實現信息交換。與其他方法相比，以上兩種通信方式均可以減少電池管理系統的線路總數，對電動汽車的線路進行整體優化，但其數據傳輸的實時性、可靠性和抗干擾能力與目前新能源汽車行業內普遍采用的CAN總線相比仍存在較大差距。

7 結束語

綜上所述，作為制約電動汽車產業化進程的瓶頸技術，動力電池產業的發展受到了各國及相關行業企業的關注，隨著電動汽車產業化進程逐步深入，基于新材料和結構的大容量動力鋰電池組管理系統技術已經成為各國競爭的焦點，預計拓展車用動力電池使用壽命、工作環境、算法可靠性以及降低生產成本等是相關產業技術發展的主要方向。

〔編輯：張思楠〕