第三节　动力电池组管理系统

一、动力电池组管理系统简介

电动汽车的整车性能很大程度上依赖于动力蓄电池，高性能、高可靠性的电池管理系统能使电池在各种工作条件下获得最佳的性能，通过蓄电池管理系统（BMS）来实时监测电池状态，如电池电压、充放电电流等，预测电池最大允许充放电电流，以提升电池性能和寿命，提高混合动力汽车的可靠性和安全性。

根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、电池组管理子系统、线路管理子系统，如图2-55所示。

1．热（温度）管理子系统

温度是直接影响电池性能和寿命的关键性因素，混合动力汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象，不同的蓄电池其发热程度各不相同，有的蓄电池采用自然通风即可满足电池组的散热要求，但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却，才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。另外，在混合动力汽车上由于动力电池组的各个蓄电池或各个分电池组布置在车架不同的位置上，各处的散热条件和周围环境都不同，这些差别也会对蓄电池充、放电性能和蓄电池的使用寿命造成影响。为了保证每个蓄电池都能有良好的散热条件和环境，将混合动力汽车的动力电池组装在一个强制冷却系统中，使各个蓄电池的温度保持一致或相接近，以及使各个蓄电池的周边环境条件相似。

根据动力电池组在电动汽车上的布置，动力电池组的热管理子系统中，为便于动力电池组或其分组的安装，首先应合理安排动力电池组的支架，要求能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架位置和形状确定后设计通风管道、风扇、动力电池组ECU及温度传感器等，动力电池组水平布置的温度管理系统如图2-56所示，垂直布置的温度管理系统如图2-57所示。

某些蓄电池在工作时，会产生较高的温度，这时，可以充分利用其产生的热量用于取暖和给挡风玻璃除霜等，使热量得到管理与应用。

2．电池组管理子系统

电池组管理子系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监管，使电池组能够提高工作效率，保证正常运转并达到最佳状态，避免发生电池的过充电和过放电，可以有效延长电池的寿命，以及对动力电池组的安全管理和保洁等。电池管理子系统主要包括以下几个方面。

（1）电池的技术性能　不同类型、不同型号和不同使用程度的电池都具有不同的性能，包括电池的容量、工作电压、终止电压、质量、外形尺寸和电池特性（包括记忆特性）等，因此，要对动力电池组建立技术档案。实际上即使是同一型号、同一批量的电池，由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况的不同，性能也不尽相同。如果将性能差异较大的电池组合在一起，会给整个动力电池组的性能带来影响。因此，在安装电池组之前，应对每个电池进行认真检测，将性能差异不大的电池组成动力电池组。

（2）电池状态的管理　混合动力汽车的动力电池组由多个单节电池组成，其基本状态包括充电和放电时双向作业的电压、电流、温度、SOC的比例等。在正常情况下动力电池组的电压、电流、温度、SOC的比例等应能够进行双向计算和显示。

由于多种原因，在动力电池组中个别电池会出现性能的改变，使得动力电池组在充电时不能充足，而在放电时很快将电能放尽，这就要求电池管理系统应能够及时自动检测各个单节电池的状态，当检测出某节电池出现损坏状态时，及时报警，以便将“坏”电池剔出、更换。

（3）动力电池组的安全管理　动力电池组的总电压可以达到400V，如此高的电压对人体会造成危害，应采取有效的隔离措施，一般是将动力电池组与车辆的乘坐区分离，将动力电池组放在地板下面或车架的两侧。在正常的情况下，车辆停止使用时，通常会自动切断电源，只有在混合动力汽车启动时才接通电源，当混合动力汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源，防止高压电引起的人身事故和火灾，并防止电解液造成的伤害，以保证人身安全。

3．线路管理子系统

动力电池组是由很多节单节电池串联组成的，如果是铅酸蓄电池，需要8～32节12V的单节电池串联起来，其他电池需要用更多的单节电池串联而成。为了能够分别安装在混合动力汽车的不同位置处，通常动力电池组上分为多个小的电池组分散进行布置，这样有利于电池组的机械化安装、拆卸和检修。

线路管理子系统管理电池与电池、电池组与电池组之间的线路。当动力电池组的总电压较高时，导线的截面积比较小，有利于电线束的连接和固定，但高电压要求有更可靠的防护；当动力电池组的总电压较低时，电流比较大，线路损耗也很大，需要的导线截面积也比较大，安装不太方便。在各个电池组之间还需要安装连接导线将其串联起来，一般在电池组与电池组之间，装有手动或自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外，在电池管理系统中还有各种传感器线路等，因此在混合动力汽车上有尺寸很长的各种各样的电线束，要求电线之间有可靠的绝缘，并能快速连接。

二、动力电池组管理系统的功能

动力电池组管理系统承担着动力电池组的全面管理，一方面要保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，以便使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况；另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。

1．动力电池组管理系统的基本功能

动力电池组管理系统采用先进的微处理器进行控制，通过标准通信接口和控制模块对动力电池组进行管理，一般有以下几个方面。

（1）动力电池组管理　监视动力电池组的双向总电压和电流、动力电池组的温升，并通过液晶屏幕动态显示出总电压、电流及温升的变化，避免动力电池组过充电或过放电，使动力电池组不会受到人为的损坏。

（2）单节电池管理　对动力电池组中的单节电池的管理，可以监测单节电池的状态，对单节电池动态电压和温度的变化进行实时监测，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的预防措施。

（3）荷电状态的估计和故障诊断　动力电池组管理系统应具有对荷电状态的估计和故障诊断的功能，能够有效地反映和显示荷电状态SOC。目前对荷电状态的估计误差一般控制在10%左右，配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力电池组的故障和隐患。

2．动力电池组管理系统的组成

综合动力电池组管理系统的各种功能，动力电池组管理系统的基本组成如图2-58所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统的基本组成如图2-59所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统，是利用损坏的电池在充电过程中电池的温度高于正常电池温度的原理，用温度传感器来测定和监控每一个电池在充电过程中的温度是否在允许的范围内。如果发现某个电池的温度处于异常状态，荷电状态SOC显示也不正常时，即刻向动力电池组管理系统反馈某个电池在线的响应信息，并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。

三、蓄电池的放电管理

1．蓄电池放电过程中的硫化现象

蓄电池在放电过程中，两极活性物质均转化为硫酸铅。充电不足或者充足电量的蓄电池因过量放电，譬如在ACC状态下长时间使用音响设备等，使电解液中存在大量的硫酸铅，如果车辆长期放置不用，硫酸铅就会从电解液中析出，极板上会逐渐生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅，这种物质很难在正常充电时溶解还原成活性物质（称为硫酸铅硬化）。同时这种物质会堵塞极板的孔隙，阻碍电解液的渗入，导致容量下降，内电阻增大，启动和充电性能明显下降。充电时，充电电压和电解液温度会异常升高，并过早产生气泡；放电时，电压下降很快，严重影响蓄电池的寿命。

2．ACC/ON电源状态下的自充电方法

传统汽车在ACC/ON电源状态下，如果长时间使用音响等电器，由于发动机没有工作，因此交流发电机无法给蓄电池及时充电，很容易使蓄电池过度放电，如果车辆再长时间停放，蓄电池就会出现极板硫化的现象，影响蓄电池的使用。

在混合动力车型中，由于采用了智能启动系统，通过PS模块（或者HCU）实时检测蓄电池的电压，当蓄电池电压下降到所允许的下限值时自动启动充电系统，就可以达到防止蓄电池出现过度放电的现象，从而避免蓄电池出现极板硫化的问题。

如图2-60所示是12V蓄电池自充电系统拓扑图，该系统主要由无钥匙启动系统（PS）、整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）和电机控制器（PEU）组成（PEU内含DC/DC功能），可以将直流288V的动力电源转换成低压直流电源给12V蓄电池充电。

3．蓄电池自充电系统工作过程

① 整车电源处于ACC或ON状态时，由于较长时间内使用音响等电器，使蓄电池电压有所降低，当PS模块内部电源监测电路检测到电压低于设定值时，开始进入自行充电模式。

② PS模块控制相应的电路闭合，并向VCU提出充电请求。

③ VCU进行诊断，确认进入READY的条件满足，则接通主继电器，使PEU、BMS、EMS进入工作状态，并启动DC/DC转化，如果同时检测到动力电池SOC值低于设定值时，则启动发动机充电。

④ 动力电池的SOC值充电到设定值时，停止发动机充电，保持READY状态，以备随时行车需要。

⑤ 如不需使用电器，可按PS模块上的POWER开关退出，使电源回到OFF状态。根据上面所述的工作过程，将其转化成如图2-61所示的蓄电池自充电流程。