電動汽車大容量鋰電池管理系統設計

王彬 張曉烽

摘要：自從改革開放以來，我國經濟發展水平有了很大程度的提高，與此同時，電動汽車行業的發展方興未艾，電動汽車成為人們的日常生活中是不可或缺的最基本的交通工具。隨著科研水平的不斷提升，人們對電動汽車的鋰電池管理系統設計有了更高的需求，大容量鋰電池的設計創新越來越引發大眾的關注。因此，我國應該加深對電動汽車大容量鋰電池管理系統的設計，提高性能和系統穩定度，更加電動汽車的實用性。文章對目前我國電動汽車鋰電池的設計情況進行分析，并闡述了應該如何進行大容量鋰電池管理系統設計，滿足人們的需求。

關鍵詞：電動汽車；鋰電池；大容量；系統設計

目前，我國電動汽車行業雖然得到了快速發展，但是還存在著很多問題。我們應該結合實際從電動汽車的鋰電池管理系統設計進行改善，盡可能最大限度地發揮鋰電池的大容量和最佳性能，通過創新設計從各方面對電動汽車進行全方位的綜合提高。特別是近些年來，全球都遭遇著能源危機和環境破壞的困境，為了經濟和環境的可持續發展，我們要對電動汽車進行改善。在電動汽車行業中，電池是電動汽車中最核心最重要的部分，它是電動汽車的動力來源，也是使用電動汽車的最主要因素。因此，鋰電池的系統管理設計的好壞對于一個電動汽車的性能有著很大的影響。如何進行電動汽車大容量鋰電池管理系統設計是改善鋰電池系統產品在使用壽命、穩定性、可靠性、安全性都完全符合汽車級要求上的關鍵。

1 鋰電池系統管理設計

鋰電池管理系統的主要任務是保證電池系統的設計性能，可以分解成如下三個方面：1）安全性，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現安全事故；2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區域內，延長電池的使用壽命；3）動力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態下。

鋰電池安全工作區域受到溫度、電壓窗口限制，超過該窗口的范圍，電池性能就會加速衰減，甚至發生安全問題。為了解決這些問題，目前電動汽車鋰電池系統產品必須連接電池管理系統（BMS Battery Management System）。BMS由各類傳感器、執行器、控制器以及信號線等組成，應具備以下功能：1）電池參數檢測。包括總電壓、總電流、單體電壓、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等；2）電池狀態估計。包括荷電狀態（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態（SOH）、功能狀態（SOF）、能量狀態（SOE）、故障及安全狀態（SOS）等；3）在線故障診斷；4）電池安全控制及報警；5）充電控制；6）電池均衡；7）熱管理；8）網絡通訊；9）信息存儲；10）電池兼容。

大容量鋰電池管理系統廣泛的溫度適應性才能滿足電動汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數和快速熱交換的液冷/液熱系統將成為標配。液冷/液熱系統的設計目標是在30%～50℃環境溫度和各種模擬工況下，將電池單體的工作溫度控制在15%～45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內。綜合運用仿真分析和測試驗證等方法，達到液冷/液熱系統的最優化設計，才能做到30%～50℃的使用溫度范圍以及大倍率和長壽命使用。另外，液冷/液熱系統的設計，必須與整車的冷卻循環系統相互匹配，與鋰電池管理系統的結構設計高度集成，必須達到極高的熱交換效率。

提高大容量鋰電池管理系統的PACK集成效率是電動汽車增加動力、提高續航里程的關鍵因素。這就需要我們從兩個可行的途徑進行優化設計：一是優化大容量鋰電池系統內部的結構設計，大幅度減少系統內部的組件數量，從而減輕重量；另一個是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復合材料代替高強度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕總量。

2 如何解決鋰電池系統設計中存在的問題

盡管鋰電池系統有許多功能模塊，但在設計中也存在不少的問題，比如電池電壓測量，數據采樣頻率同步性，電池狀態估計，電池的均勻性和均衡，電池故障診斷的精確測量等，本文僅分析和總結電池電壓測量和數據采樣頻率同步性兩點問題。

電池電壓測量的難點存在以下幾個方面：1）電動汽車的電池組有數百個電芯的串并連接，需要許多通道來測量電壓。由于被測量的電池電壓有累積電勢，并且每個電池的累積電勢都不同；2）電壓測量需要高精度，SOC估算對電池電壓的精度提出了很高的要求。為了保證上面兩點，目前電池的電壓和溫度采樣都采用集成化芯片。

信號的采樣頻率與同步對數據實時分析和處理有影響。電池系統信號有多種，同時電池管理系統一般為分布式，如果電流的采樣與單片電壓采樣分別在不同的電路板上，信號采集過程中，不同控制子板信號會存在同步問題，會對電池系統內阻的實時監測算法產生影響。為了保證電壓同步，每個采集子板中單體間的電壓采樣時間差越小越好，一個巡檢周期最好在25ms內。子板之間的時間同步可以通過發送一幀CAN參考幀來實現。

3 結語

為了更好地發展我國的電動汽車行業，需要對鋰電池的管理系統設計進行深入研究。相關設計人員應該不斷探索，積極吸取國內外的優秀建議和先進科學技術，盡最大努力完善鋰電池的性能，提高電動汽車的綜合性能。除此之外，在鋰電池管理系統的設計上，我們還應該遵守政府倡導的建立“資源節約型，環境友好型”社會，采用綠色節能材料進行設計，節約電動汽車的能耗問題。相關企業還要建立起一套完整的鋰電池管理系統的評估監測系統，一旦出現問題，及時采取科學有效的措施對其進行解決，避免更大的損失。

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