第三节　纯电动汽车用动力蓄电池的管理技术

由于动力电池能量和端电压的限制，纯电动汽车需要采用多块电池进行串、并联组合，但是由于动力电池特性的非线性和时变性，以及复杂的使用条件和苛刻的使用环境，在纯电动汽车使用过程中，要使动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，纯电动汽车上动力电池的使用都需要进行有效管理，对于镍氢电池和锂离子电池，有效的管理尤其需要，如果管理不善，不仅可能会显著缩短动力电池的使用寿命，还可能引起着火等严重安全事故，因此，动力蓄电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）成为电动汽车的必备装置。

一、动力蓄电池管理任务

动力蓄电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对动力电池的电压、电流、温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC（StateOfCharge，荷电状态）、SOH（StateOfHealth，性能状态，也称健康状态），还根据动力电池的电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电动机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。如图2-17（a）所示，常见动力电池管理系统的功能主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理（包括动力电池电量均衡功能）和故障诊断，其中前6项为动力电池管理系统的基本功能。数据采集是动力电池管理系统所有功能的基础，需要采集的数据信息有电池组总电压、电流、电池模块电压和温度；电池状态估计包括SOC估计和SOH估计，SOC提供电池剩余电量的信息，SOH提供电池健康状态的信息，目前的动力电池管理系统都实现了SOC估计功能，SOH估计技术尚不成熟；热管理是指BMS根据热管理控制策略进行工作，以使电池组处于最优工作温度范围；数据通信是指电池管理系统与整车控制器、电动机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能；安全管理是指电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理；能量管理是指对电池组充放电过程的控制，其中包括对电池组内单体或模块进行电量均衡。故障诊断是使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或模块。

BMS最基本的功能是监控与动力电池自身安全运行相关的状态参数（如动力电池的电压、电流和温度）、预测动力系统优化控制有关的运行状态参数（SOC、SOH）和相应的剩余行驶里程、进行与工作环境适应性有关的热管理等，进行动力电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用动力电池存储能力和循环寿命。BMS的主要任务及相应的传感器输入和输出控制如表2-2所示。

通常在车辆运行过程中，能够通过传感器直接测量得到的参数仅有动力电池端电压U、动力电池工作电流I、动力电池的温度T，而车辆动力系统控制需要用到的物理量包括电池当前的SOC、电池当前的SOH、最大可充放电功率等，动力电池管理系统内部各物理量之间的关系如图2-17（b）所示。在车载动力电池管理系统中，热管理技术、准确的荷电状态SOC和性能状态（SOH）在线实时估计技术具有较大的难度，是其核心技术。

二、动力电池管理系统的组成及工作模式

动力电池管理系统一般包括动力电池组、动力电池管理系统控制单元MCU、动力电池单体电压和温度信号采集模块（BMU模块）、总电流及总电压信号采集模块（UI模块）、整车通信模块（模块1）、高压电安全系统（高压接触器、熔断器）及电流均衡模块（模块2）、热管理系统和检测单元（电流传感器、电压传感器和温度传感器）等，图2-18所示为两种典型的动力电池管理系统方案。如图2-19所示，高压接触器包括B+接触器、B-接触器、预充接触器、直流转换器（用于向低压电池及车载低压设备供电）接触器及车载充电器接触器。均衡功能包括电池单体电压及温度均衡两个方面，附带有监测并响应碰撞及电池渗漏的功能，当监测到影响安全的信号时，管理系统则立即切断高压电供给。BMU主要用于采集电池单体的电压及温度信息，通过相应接口传至高压接触器控制及电流均衡模块，经过控制策略算法，实现各接触器的动作，从而使动力电池管理系统进入不同的工作模式。动力电池管理系统可工作于下电模式、准备模式、放电模式、充电模式和故障模式5种工作模式下。

1—B＋接触器；2—预充接触器；3—充电器接触器；4—直流转换器接触器；5—B－接触器

1.下电模式

下电模式是整个系统的低压与高压处于不工作状态的模式。在下电模式下，动力电池管理系统控制的所有高压接触器均处于断开状态；低压控制电源处于不供电状态。下电模式属于省电模式。

2.准备模式

在准备模式下，系统所有的接触器均处于未吸合状态。在该模式下，系统可接受外界的点火开关、整车控制器、电动机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受CAN报文控制的低压信号来驱动控制各高压接触器，从而使动力电池管理系统进入所需工作模式。

3.放电模式

动力电池管理系统监测到点火开关的高压上电信号（Key-ST信号）后，系统首先闭合B-接触器，由于电动机是感性负载，为防止过大的电流冲击，B-接触器闭合后即闭合预充接触器进入预充电状态；当预充电容两端电压达到母线电压的90％时，立即闭合B+接触器并断开预充接触器进入放电模式。目前汽车常用低压电源由12V的铅酸蓄电池提供，不仅可为低压控制系统供电，还需为助力转向电动机、刮水器电动机、安全气囊及后视镜调节电动机等提供电源。为保证低压蓄电池能持续为整车控制系统供电，低压蓄电池需有充电电源，而直流转换器接触器的开启即可满足这一需求，因此，当动力电池系统处于放电状态时，B+接触器闭合后即闭合直流转换器接触器，以保证低压电源持续供电。

4.充电模式

动力电池管理系统检测到充电唤醒信号（Charge WakeUp）时，系统即进入充电模式。在该模式下，B-接触器与车载充电器接触器闭合，同时为保证低压控制电源持续供电，直流转换器接触器仍需处于工作状态。在充电模式下，系统不响应点火开关发出的任何指令，充电插头提供的充电唤醒信号可作为充电模式的判定依据。对于磷酸铁锂电池，由于其低温下不具备有很好的充电特性，甚至还伴随有一定的危险性，因此基于安全考虑，还应在系统进入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度低于0℃时，系统进入充电预热模式，此时可通过接通直流转换器接触器对低压蓄电池进行供电，并为预热装置供电以对电池组进行预热；当电池组内的温度高于0℃时，系统可进入充电模式，即闭合B-接触器。

无论在充电状态还是在放电状态，电池的电压不均衡与温度不均衡将极大地妨碍动力电池性能的发挥。在充电状态下，极易出现电压、温度不均衡的状态，充电过程中可通过电压比较及控制电路使得电压较低的单体电池充电电流增大，而让电压较高的电池单体充电电流减小，进而实现电压均衡的目的。温度的不均匀性会大大降低动力电池组的使用寿命，因此，当电池单体温度传感器监测出各单体电池温度不均衡时，可选择强制风冷的方式，实现电池组内气流的循环流动，以达到温度均衡的目标。

5.故障模式

故障模式是控制系统中常出现的一种状态。由于车用动力电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各种相应模式总是采取“安全第一”的原则。动力电池管理系统对于故障的响应还需根据故障等级而定，当其故障级别较低时，系统可采取报错或者发出报警信号的方式告知驾驶人；而当故障级别较高，甚至伴随有危险时，系统将采取断开高压接触器的控制策略。低压蓄电池是整车控制系统的供电来源，无论是处于充电模式、放电模式还是故障模式，直流转换器接触器的闭合都可使低压蓄电池处于充电模式，从而保证低压控制系统工作正常。

三、动力电池组的均衡充电管理和热管理

由于电动汽车动力电池组中众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环境、接线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免，使用充电机直接为电池组送行至预充电，必然导致单个电池之间不一致性的加剧，出现个别电池的过电压充电。同样，单个电池间不—致性的存在也会导致电池组放电过程中的个别电池的过放电。在车上的布置分散、动力电池单体的使用环境不同，导致电池组单体间不一致性的积累和恶化，严重影响动力电池组的使用寿命，对电池组的均衡充电以及有效的热管理是BMS的主要功能。

1.动力电池组均衡充电管理

动力电池组均衡充电具有以下3种方式。

①充电结束后实现单体电池间的自动均衡。其工作原理如图2-20所示，当1号电池的端电压高于2号电池的端电压值，且控制开关处于如图2-20（a）所示连接位置时，1号电池向电容器充电，使电容器两端电压与电池端电压相等。然后，控制开关动作，切换到如图2-20（b）所示连接位置，这时，电容器向2号电池充电，使2号电池的端电压增大趋向于电容器的端电压，待电容器的端电压与2号电池的端电压相平衡后，再控制开关动作，切换到如图2-20（a）所示连接位置，如此反复几次，1号电池的端电压和2号电池的端电压就达到了均衡。同样，当2号电池的端电压高于1号电池的端电压时，开关按如上所述反复动作几次后，也能使两电池的端电压达到平衡。

②充电过程中实现单体电池间的自动均衡。其主要有3种方案，如图2-21所示。充电器均衡充电控制实现了对串联电池组中单个电池的并联充电或独立充电，在完全统一的充电模式和充电策略保证下，可以完全实现电池组的均衡充电，但系统组成比较复杂。

③采用辅助管理装置，对单个电池的电流进行调整。如图2-22所示，电池均衡充电过程可描述为，按照既定的充电模式和充电策略，根据实测的串联电池组总电压，充电器输出一定的充电电流值Icharge，当所有电池端电压均低于充电截止电压时，均衡管理模块不起作用；若有个别电池首先达到充电截止电压，此时该电池的均衡模块起作用，分流一部分电流i，则通过该电池的电流减为Icharge-i，避免了对该电池的过电压充电；当所有电池的端电压均达到充电截止电压时，充电器转为恒电压充电，充电电流逐渐减小，通过电池均衡模块的电流也逐渐减小，直至所有电池均充满电。均衡模块是该均衡充电模式的关键部件，包括功耗型和能量回收型两类，功耗型对通过均衡模块的电流以热耗的方式散掉，能量回收型通过特殊的元件，比如陶瓷储能器，将通过均衡模块的电流反馈到充电主回路中。

2.动力电池组的热管理

由于动力电池的充放电特性在很大程度上取决于电池电解液的温度，所以BMS的一个重要作用是在动力电池的充放电过程中将电池组的温度保持在正常的工作温度范围内。动力电池的充放电是典型的电化学过程，其伴生的反应热很容易引起动力电池组内部的温升及一定的温差，如果不及时散热，对动力电池的安全性、可靠性及动力电池寿命都有很大的影响。因此在热管理方面主要面临的问题有，充放电时产生的反应热如何散出；电池组模块内部单体之间的温度如何均衡；寒冷环境下，如何将电池预热到设定的温度范围。影响动力电池热管理的因素主要包括产热率、电池形状、冷媒类型、冷媒流速、流道厚度等。目前车载动力电池主要考虑外部散热结构，很少将动力电池内部传热与外部散热过程耦合分析，因此无法从根本上控制电池散热所带来的负面影响。从控制的角度看，目前的动力电池组热管理系统可以分为主动式、被动式两类，从传热介质的角度看，热管理系统主要包括气体冷却法、液体冷却法、相变材料冷却法、热管冷却法及一些带加热的热管理系统。

（1）气体冷却法　采用空气作为传热介质，直接把空气引入动力电池，使其流过动力电池以达到散热目的，一般需有风扇、进出口风道等部件。气体冷却法主要包括自然对流冷却法和强迫空气对流冷却法。根据进风来源的不同，一般有，外界空气通风被动式冷却；乘客舱空气通风被动式冷却加热；外界或乘客舱空气主动式冷却/加热。被动式系统结构相对简单，直接利用现有环境，比如，冬季电池需要加热，可以利用乘客舱的热环境将空气吸入，若行驶中电池温度过高，乘客舱空气的冷却效果不佳，则可将外界冷空气吸入降温。而主动式系统，则需建立单独系统，提供加热或冷却的功能，一般通过安装局部散热器或风扇的方法来强制散热，有的还利用辅助的或汽车自带蒸发器来提供冷风，根据电池状态独立控制，这也增加了整车能源消耗和成本。不同系统的选择主要取决于电池的使用要求，图2-23所示为几种典型的气体冷却方式。

（2）液体冷却法　以液体为介质的传热，需在动力电池组与液体介质之间建立传热通道，比如水套，以对流和导热两种形式进行间接式加热和冷却，传热介质可以采用水、乙二醇，甚至制冷剂，也有把动力电池组沉浸在电介质的液体中直接传热，但必须采用绝缘措施以免发生短路。液体冷却法主要有被动式液体冷却系统和主动式液体冷却系统。被动式液体冷却一般是通过液体-环境空气换热后再将其引入动力电池进行二次换热，而主动式则是通过发动机冷却液-液体介质换热器，或者电加热/燃油加热实现一级加热，以乘客舱空气/空调制冷剂-液体介质实现一级冷却。图2-24所示为一种典型的液体冷却系统的构成。

（3）相变材料冷却法　近年来在国外和国内出现了采用相变材料PCM冷却的动力电池热管理系统，针对动力电池在充电时吸热、放电时放热的特点，在全封闭的动力电池单体之间填充相变材料，靠相变材料的融化或凝固来工作。利用PCM进行动力电池冷却原理是，当动力电池进行大电流放电时，PCM吸收动力电池放出的热量，自身发生相变（熔化），而使动力电池温度迅速降低，此过程是系统把热量以相变热的形式储存在PCM中；在动力电池进行充电时，特别是在比较冷的天气环境下（亦即大气温度远低于相变温度），PCM把热量排放到环境中去。相变材料用于动力电池热管理系统中不需要在动力电池连接处插入额外的冷却元件，也不需要动力电池组间的冷却通道或封装外部流体循环的冷却系统，更不需要耗费动力电池额外能量，同时对于寒冷环境下给动力电池进行加热也有借鉴作用。

（4）热管冷却法　T.P.Cotter等提出了微型热管和小型热管的动力电池热管理理论，M.S.Wu等曾用带一个延展板的冷凝管来使镍氢电池组或锂离子电池得到有效散热。

（5）带加热的热管理系统　在较冷的环境中，动力电池性能会降低，造成电动汽车整车性能降低，此时需要对动力电池进行加热。在寒冷环境中给动力电池加热比使动力电池散热更困难。福特公司研发出的锂离子电池热管理即包括冷却和加热两种功能。