電動(dòng)汽車電池組管理系統(tǒng)原理分析

由于動(dòng)力電池能量和端電壓的限制，電動(dòng)汽車需要采用多塊電池進(jìn)行串、并聯(lián)組合，而動(dòng)力電池特性的高度非線性，使得電池管理系統(tǒng)(BMS—Battery Management System)成為電動(dòng)汽車的必備裝置。BMS一般由傳感器(用于測(cè)量電壓、電流和溫度等)、控制單元和輸入輸出接口組成。BMS最基本的功能是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)(電池的電壓、電流和溫度)、預(yù)測(cè)動(dòng)力電池的電池容量(SOC)和相應(yīng)的剩余行駛里程，進(jìn)行電池管理以避免出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充、過(guò)熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，最大限度地利用電池存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命，BMS的主要任務(wù)以及相應(yīng)的傳感器輸入和輸出控制如表1所示。

由于電動(dòng)汽車電池組中眾多動(dòng)力電池之間存在制造工藝、材質(zhì)、使用環(huán)境、接線方式等差異，單個(gè)電池之間存在容量、端電壓和內(nèi)阻的不一致在所難免，使用充電機(jī)直接為電池組進(jìn)行整體充電，必然導(dǎo)致單個(gè)電池之間不一致性的加劇，出現(xiàn)個(gè)別電池的過(guò)電壓充電。同樣，單個(gè)電池間不一致性的存在也會(huì)導(dǎo)致電池組放電過(guò)程中的個(gè)別電池的過(guò)放電。在車上的布置分散、動(dòng)力電池單體的使用環(huán)境不同，導(dǎo)致電池組單體問(wèn)不一致性的積累和惡化，嚴(yán)重影響電池組的使用壽命，對(duì)電池組的均衡充電以及有效的熱管理是BMS的主要功能。

動(dòng)力電池組均衡充電具有三種方式：

①充電結(jié)束后實(shí)現(xiàn)單體電池問(wèn)的自動(dòng)均衡，工作原理如圖2所示，當(dāng)1號(hào)電池的端電壓值高于2號(hào)電池的端電壓值，且控制開關(guān)處于如圖2(a)所示連接位置時(shí)，1號(hào)電池向電容器充電，使電容器兩端電壓與電池端電壓相等。然后，控制開關(guān)動(dòng)作，切換到如圖2(b)所示連接位置，這時(shí)，電容器向2號(hào)電池充電，使2號(hào)電池的端電壓增大趨向于電容器的端電壓，待電容器的端電壓與2號(hào)電池的端電壓相平衡后，再控制開關(guān)動(dòng)作，切換到如圖2(a)所示連接位置，如此反復(fù)幾次，1號(hào)電池的端電壓值和2號(hào)電池的端電壓值就達(dá)到了均衡。同樣，當(dāng)2號(hào)電池的端電壓值高于1號(hào)電池的端電壓值時(shí)，開關(guān)按如上所述反復(fù)動(dòng)作幾次后，也能使該兩節(jié)電池的端電壓達(dá)到平衡。

②充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)單體電池間的自動(dòng)均衡，主要有三種方案，如圖3所示，充電器均衡充電控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)串聯(lián)電池組中單個(gè)電池的并聯(lián)充電或獨(dú)立充電，在完全統(tǒng)一的充電模式和充電策略保證下，可以完全實(shí)現(xiàn)電池組的均衡充電，但系統(tǒng)組成比較復(fù)雜。

③采用輔助管理裝置，對(duì)單個(gè)電池的電流進(jìn)行調(diào)整。如圖4所示，電池均衡充電過(guò)程可描述為：按照既定的充電模式和充電策略，根據(jù)實(shí)測(cè)的串聯(lián)電池組總電壓，充電器輸出一定的充電電流，Icharge，當(dāng)所有電池端電壓均低于充電截止電壓時(shí)，均衡管理模塊不起作用；若有個(gè)別電池首先達(dá)到充電截止電壓，此時(shí)該電池的均衡模塊起作用，分流一部分電流i，則通過(guò)該電池的電流減為，Icharge-i，避免了對(duì)該電池的過(guò)電壓充電；當(dāng)所有電池的端電壓均達(dá)到充電截止電壓時(shí)，充電器轉(zhuǎn)為恒電壓充電，充電電流逐漸減小，通過(guò)電池均衡模塊的電流也逐漸減小，直至所有電池均充滿電。均衡模塊是該均衡充電模式的關(guān)鍵部件，包括功耗型和能量回收型兩類，功耗型對(duì)通過(guò)均衡模塊的電流以熱耗的方式散掉，能量回收型通過(guò)特殊的元件，比如陶瓷儲(chǔ)能器，將通過(guò)均衡模塊的電流反饋到充電主回路中。

由于動(dòng)力電池的充放電特性在很大程度上取決于電池電解液的溫度，所以BMS的另外一個(gè)重要作用是在電池的充放電過(guò)程中將電池組的溫度保持在正常的工作溫度變化范圍內(nèi)。冷卻后或者加熱后的空氣進(jìn)入到電池塊之間的空隙中，然后從電池托盤底部的縫隙中吹出來(lái)，根據(jù)電池的溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。