纯电动车锂电池管理系统的应用浅析

汽乍实用技术　设汁研究　ＡＵＴ０Ｍ０Ｂ　ｌ｛　Ｅ　ＡＰ｛）Ｉ　１　ＥＤ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　２０１　４年第１期　２Ｏ　ｌ　４　Ｎ０．１　纯电动车锂电池管理系统的应用浅析　汪斌，刘宁，王家雁，吴志，周江放　（东风汽车股份有限公司商品研发院，武汉４３００５７）　摘要：首先介绍了纯电动车用电池管理系统在实车上具有的功能和组成结构。接着论述了应用　中的ＳＯＣ算法、ＳＯＨ算法、均衡方法、热管理和故障诊断与处理等关键技术。最后就电池管理　系统在功能安全、ＳＯＣ估算精度和电池寿命估计算法等方面提出了一些建议，供设计开发人员参　考。　关键词：纯电动车；电池管理系统；关键技术；功能安全　中图分类号：ＴＭ９１　０文献标识码：Ａ文章编号：１　６７１—７９８８（２０１　４）０１—５２—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｐｕｒｅ　ＥＶ　Ｗａｎｇ　Ｂｉｎ，Ｌｉｕ　Ｎｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｙａｎ，Ｗｕ　Ｚｈｉ，Ｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｆａｎｇ　（Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｒ＆Ｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｏｎｇｆｅｎｇ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｕｂｅｉ　Ｗｕｈａｎ　４３００５７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｋｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　（ＢＭＳ）ｆｏｒ　ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ａｌｇｏｒｉｈｍ，ＳＯＨ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｅｒｍａｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆａｕｌｔｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．　Ｆｉｎａｌｌｙ　ａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｓｏｍｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓａｆｅｔｙ，ＳＯＣ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｂａｋｅｒｙ　ｌｉｆｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＢＭＳ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｒｅ　ＥＶ．ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓａｆｅｔｙ　ＣＬＣ　ＮＯ．：ＴＭ９１０　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｒｔｉｃｌｅ　ＩＤ：１６７１—７９８８（２０１４）０１—５２－０４　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ，ＢＭＳ）对充分发挥动力电池性　前言　能，保证高压系统安全有重要作用。本文论述了实　随着石油依赖程度的增加以及人们对自身生存　际装车用电池管理系统的主要功能和关键技术，并　对电池管理系统下一步的发展提出一些参考意见。　环境问题的深入关注，我国十分重视对新能源汽车，　尤其是纯电动汽车的研究和推广应用工作。众所周　知，动力电池是纯电动车辆的动力源泉，而动力电　池技术是当前公认的电动汽车发展的瓶颈之一。在　１、电池管理系统的功能　电池管理系统的主要功能就是能实时监控电池　力，延长使用寿命，并向整车报告电池信息，为整　当前动力电池技术水平下，电池管理系统（ｂａｔｔｅｒｙ　状态，保证动力电池系统安全可靠的发挥自己的能　作者简介：汪斌，工程师，就职于东风汽车股份有限公司商　车控制提供依据　¨。具体来说有：　品研发院，主要研究方向为电动汽车和汽车动力学。　５３　汽车实用技术　２０１４年第１期　１）数据采集功能　２、电池管理系统的构成　本文针对磷酸铁锂电池开发ＢＭＳ系统，对于纯　电动商用车辆来说，功率较大，所要的电池数量和　电压等级相对于纯电动轿车也要多一些。为可靠完　包括采集电池单体、模块和整体的电压、电流、　温度等参数，并将这些参数送入电池管理系统的处　理器，分析得到电池当前的状态信息。对于重要状　态信息应有保存一定量数据的功能。　２）分析计算功能　此项是电池管理系统的核心。包括电池组Ｓ０Ｃ　成对动力电池的检测与管理任务，在实车上，整套　ＢＭＳ设计成分布式结构（如图ｌ所示），相互之间　的信息交互通过３路ＣＡＮ总线实现。既由若干电池　单体组成电池模块，再由电池模块组合而成整个电　估算、电池组ＳＯＨ估算、最大放电电流和功率的计　算、最大充电电流和功率计算等反应电池状态的重　要信息，这些信息对于整车控制十分重要。　３）对外通讯功能　电池管理系统需要将测量或计算得到电池参数　可靠的向外界传输，用于整车控制或信息显示。当　前是通过ＣＡＮ总线来实现这一功能。　图１　电池管理系统结构框图　４）故障报警与处理功能　电池管理系统遇到的故障根据所处的状态，大　体分为行车时的故障检测与报警、充电时的故障检　测与报警以及ＣＡＮ总线故障诊断。ＢＭＳ应能及时　发现电池以及自身的软硬件故障，并能依据故障的　严重程度进行分级，进行相应的处理。对于威胁电　池安全和整车人身安全带最严重故障，电池管理系　统应能够迅速切断高压回路，保证高压安全。　５）管理和控制功能　为维持电池的正常使用，ＢＭＳ还应当具有一些　管理控制功能。包括电池均衡、热管理、充放电管　理，控制信号的输入输出等。　６）标定功能　作为一个成熟的控制系统，ＢＭＳ还应当有参数　标定功能，使得能与电池更好的匹配。　池包，这里涉及大量的电池之间的串联和并联连接，　每个电池模块包含一个电池管理子系统，用于对应　监测电池模块的参数。整个电池包有一个管理　单元，负责整个电池包的监测与控制。各个模块之　间的子系统通过内部ＣＡＮ总线与管理单元连　接，交互数据，它们一起构成了完整的电池管理系　统的核心。管理单元又通过行车ＣＡＮ总线，将　分析之后的电池数据向外发送，与其他控制单元共　享，如将ＳＯＣ信息发送至仪表用于显示，告知驾驶　员当前电池电量如何，而同时ＳＯＣ信息也被整车控　制器接受，用于对整车用电系统的控制。管理　单元还通过充电ＣＡＮ总线与车载充电机或直流充　电机进行通信，实现慢速和快速充电功能。　３、ＢＭＳ应用中的关键技术　由于电池本身的非线性特性和电池包成组后的　不一致性问题，要设计实用的电池管理系统有很大　难度，涉及多项关键技术　，以下介绍几个现在实　车上应用的必要的项目。　３．１电池ＳＯＣ的估算　ＳＯＣ是反映电池应用状态的重要参数，不仅对　电池系统，对整车控制也是最重要的指标之一。ＢＭＳ　根据测量到的电池物理信息估计得到电池中的剩余　电量，用于判断电池使用状态，是否需要启动保护　策略等等。在整车控制中，需要根据电池ＳＯＣ的值，　采取不同的能量管理和控制策略，例如，当ＳＯＣ很　低时，为保证正常的行车需要，应当空调的使　用，减少电池过放的危险。ＳＯＣ的定义由式１表示，　，，）　（＝）　…　＝　×１００％　（１）　２０１４年第１期　汪斌等：纯电动车锂电池管理系统的应用浅析　一５４　式中，ｓｏｃｃ　为电池当前的ＳＯＣ；　一，为　致电池的多余电能通过电阻以热的形式耗散掉。　当前电池容量：９　为电池额定容量。式ｌ是一个定　配合以下的热管理技术，能够受到明显的均衡效果。　义式，要计算ＳＯＣ，当前研究的有多种方法：直接　３．４热管理技术　测量法，安时积分法，开路电压法，神经网络法和　过高或过低的环境温度都会对磷酸铁锂电池造　卡尔曼滤波法。每种方法各有优缺点，笔者认为其　成伤害。同时，电池在充电和放电过程中，不可避　中很多还处于研究阶段。考虑到嵌入式系统计算的　免的要产生热量，若不及时将这些热散发出去，势　实时性和应用的简便性，并折中考虑ＳＯＣ的估算精　必使电池包温度上升，对电池造成不可逆的负面影　度，在实车上应用的是以安时积分法为基础算法，　响，甚至引发安全事故。因此，在应用中，一般通　并辅以开路电压法和经验参数进行校正。基础的安　过风扇进行强制风冷，若是需要更大的散热能力，　时积分法是，　ｉｄｔ　《二）　＝　（＝）　一　—　（２）　式中，ＳＯＣｉ　为ｓｏｃ初始时刻值；７７为库伦　效率；　为实时电流值；　，为实际可用容量。通常，　ＳＯＣｉ胁根据锂电池的开路电压与ＳＯＣ之间的关系　曲线，在行车启动ＢＭＳ系统完成初始化的时候确　定。安时积分法的影响因素较多，实际计算中，需　要根据大量试验数据制作成的数据库对式２计算得　到的值进行校正才能得出进度较高具有实际应用价　值的ＳＯＣ值。　３．２电池的健康状态一ＳＯＨ估计　ＳＯＨ是反映电池健康状态的一项重要参数。实　际中通常被定义为，经过循环充放电使用后的电池　实际可用容量　与电池额定容量　的比值，即，　ＳＯＨ：　（３）　ＳＯＨ是一个小于１的值。实际中，当ＢＭＳ计　算得到的ＳＯＨ值小于０．８时，既是当前电池的实际　可用容量已经小于８０％的电池额定容量时，表明电　池的健康处于不良状态，电池不宜再使用。　３．３电池组的均衡技术　为缓解电池成组中的电池不一致性问题，人们　研究发展了电池充放电均衡控制技术。当前的电池　均衡技术主要分为两类：主动均衡和被动均衡技术。　虽然被动均衡技术的效率不高，会带来电池发热等　缺点，但实现方式简便，技术也相对成熟，因此在　实车上还是应用的此种被动均衡方式。它将电压不　则需要液体冷却。对于加热，可以使用加热电阻的　方式，改善电池的低温启动环境。　３．５故障诊断与处理　对于车载嵌入式系统之一的电池管理系统来　讲，应当具备故障诊断与处理功能，这也是保证系　统安全的重要技术之一。电池管理系统能够监测的　电池组、电池模块和单体的电压、电流、温度，并　判断这些参数是过高还是过低；也相应计算和判断　ＳＯＣ等电池参数是否在最佳范围之内。同时，控制　系统还监测自身的状态，判断故障，如ＶＯ故障，　ＣＡＮ通讯故障等等。管理系统将上述监测到的故障　进行分级，对于不严重的不影响行车的给出“报警”　信息；而对于非常严重的威胁安全的故障，则切断　电池的高压回路，防止高压电造成危险；对于中等　程度的故障，则通过整车控制器使用的功率。　对ＢＭＳ设计开发的建议　４．１提高功能安全性　２０１１年，国际标准化组织正式颁布了功能安全　性标准ＩＳＯ　２６２６２。ＩＳＯ　２６２６２为汽车安全提供了一　个全生命周期理念，包括管理、开发、生产、经营、　服务和报废，并在这些生命周期阶段中提供必要的　支持　’　。所谓功能安全性，是指当电子或电气（Ｅ／Ｅ）　系统由于功能失效时，不出现不可接受的风险。　电池管理系统的核心作用是在保证安全的前提　下优化电池的使用与管理。安全是ＢＭＳ设计全过程　都必须考虑的。除传统的绝缘监测等安全手段外，　本质上作为嵌入式系统的ＢＭＳ的设计应当满足功　能安全性的要求，既按照ＩＳＯ　２６２６２标准的要求，　对ＢＭＳ系统进行开发、管理和应用。同时，还应该　汽车实用技术　２０１４年第１期　结合整车控制架构，制定整体安全规划，确定功能　处理技术。最后，笔者对电池管理系统设计开发提　安全等级，进而确定ＢＭＳ的汽车安全完整性等级　出自己的几点建议，供研究开发人员参考。　（ＡＳＩＬ）。　４．２改进ＳＯＣ估计方法　参考文献　当前实车应用的基于安时积分法，并加以补偿　【１】Ｒａｈｉｍｉ－Ｅｉｃｈｉ　Ｈ，ｏｊｈａ　Ｕ，Ｂａｒｏｎｔｉ　ｅｔｃ　ａ１．Ｂａｔｔｅｒｙ　的ＳＯＣ估算方法，虽然易用，但受到的影响因素多，　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ：Ａｎ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　估计精度还需进一步提高。其他的算法，如神经网　络法和卡尔曼滤波法，虽然估算精度高，但目前实　Ｓｍａｒｔ　Ｇｒｉｄ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２０１３，７（２）：４－１６．　用性不高。今后应当进一步研究提高ＳＯＣ的估计精　度，同时还应具有很强的实用性和较高的性价比。　４．３研究电池寿命估计　当前，动力电池的成本占了纯电动车辆的很大　部分。在电池寿命到期前频繁更换电池显然是不经　济的做法。为此，有必要研究电池在车辆实际使用　工况下的循环使用的次数既寿命问题，这对于纯电　动车辆的应用推广具有现实意义。现在对电池寿命　的估计还处在试验室阶段　，应进一步发展在线　的，结合实车充放电工况的更加实用的电池寿命的　估计算法。同时还应研究相应的试验方法。　５、全文总结　全文以现有实车应用的角度，介绍了纯电动电　池管理系统具有的功能以及满足功能要求的系统组　成机构。接着，论述了电池管理系统已经应用且必　须的几项关键技术，包括ＳＯＣ和ＳＯＨ的估算，电　池组的均衡技术，热管理技术以及系统故障诊断与　［２】Ｗｅｎ－Ｙｅａｕ　Ｃｈａｎｇ．Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｅｓｔｉｍ￣ｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｂａｔｔｅｒｙ：Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＩＳＲＮ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，　２０１３．　［３】张万兴，尹安东，唐永琪．电动汽车用锂离子电池管理　系统关键技术研究［Ａ］．２０１２安徽省汽车工程学会年会论　文集［Ｃ】．２０１２．　【４】Ｙｉｎｊｉａｏ　Ｘｉｎｇ，Ｅｄｅｎ　ＷＭ．Ｍａ，Ｋｗｏｋ　Ｌ．Ｔｓｕｉ，ｅｔｃ　ａ１．Ｂａｔｅｙｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．　Ｅｎｅｒｇｉｅｓ，２０１１．　　’［５］李娜，白恺，陈豪，等．磷酸铁锂电池均衡技术综述［Ｊ］．　华北电力技术，２０１２，（２）．　［６】刘佳熙，郭辉，李君．汽车电子电气系统的功能安全标　准ＩＳＯ　２６２６２［￣．上海汽车，２０１１，（１０）．　【７］还宏生．汽车设计中的安全要求及ＩＳＯ　２６２６２标准［Ｊ］．检　测与维修，２０１２，（１０）．　［８】Ｍａｄｅｌｅｉｎｅ　Ｅｃｋｅｒ，Ｊｏｃｈｅｎ　Ｂ．Ｇｅｒｓｃｈｌｅｒ，Ｊａｎ　Ｖｏｇｅｌ，ｅｔｃ　ａ１．　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　ｂａｔｅｒｉｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ　ａｇｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＰｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１２．