找回密码
 立即注册

电动车电池管理系统研究

电能配件 2022-4-10 17:33 Au: 能源能效


电动汽车的出现,是在全球变暖、情况污染和能源危机所推动的。2015年全球电动汽车生产量和出货量别离跨越了50万辆的范围,其中中国跨越了37万辆。电动汽车必须要有电能贮存装置,今朝锂离子电池是动力电池的首选和主流。锂离子电池在串联成组使用时存在过充、过放、过流、温度太高太低等问题,会造出锂离子电池的迅速损坏,因此需要电池治理系统进行治理。

1、锂离子电池

锂离子电池指由正极、负极、隔膜、电解液四大主要材料和外壳制成的电池。其中正极和负极材料必须能够可逆的嵌入和脱嵌锂离子,隔膜必须是锂离子导通而电子绝缘,电解液必须是锂离子溶液。

通常正极材料里是一个过渡元素发生氧化还原反应,而金属锂和碳负极是金属锂发生氧化还原反应。充放电进程,锂离子在电池内部正负极之间往返转移,电池在外电路移动。有人形象地把这种锂离子转移进程成为摇椅,而将锂离子电池称为摇椅式电池。

电动车电池治理系统研究

图1 锂离子电池的工作进程图示

锂离子电池正极材料一般采用嵌锂过渡金属氧化物,如Ni、Co、Mn的嵌锂氧化物。负极材料则要选择电位尽可能接近金属锂的嵌锂化合物,如各类碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。

电解液普遍使用报告LiPF6的溶液,溶质为有机物,常用的有乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)和低密度二乙烯碳酸酯(DEC)等;隔膜主要由烯烃类聚合物制成多孔复合膜;外壳材料有钢、铝、塑料、铝塑膜等。锂离子电池典型的结构如下图:

电动车电池治理系统研究

图2 方形电池的典型结构

锂离子电池典型参数有:容量、内阻、电压;锂离子电池特性参数有:循环寿命、放电平台、自放电率、温度性能、贮存性能等。锂离子电池平安测试有:过充、短路、针刺、跌落、浸水、低压、振动等。

锂离子电池比力娇贵,其充放电是一个多变量、非线性复杂的电化学进程,假如不能满足其充放电的条件要求,很轻易出现寿命快速下降、性能下降、起火、爆炸等事件,由于锂离子电池对于温度、电压、电流等很敏感。

2、电池治理系统的发展

早期的电池治理系统有:德国1991年起头设计的BADICHEQ和BADICOaCH系统,美国通用汽车EV1使用的电池治理系统,美国AC Propulsion 公司开辟的名为BatOPt的高性能电池治理系统。

国内最早主要是一些高校依托自己的科技上风结合一些大的汽车和电池生产商进行了一些研究工作,清华大学为EV-6568轻型电动客车配套了电池治理系统、同济大学和北京星恒合作开辟了锂离子电池治理系统、春兰研究院开辟了HEV-BMS系统、北京理工和北方交通大学等依托国家863计划电动汽车重大专项子课题,也开辟了有特色的电池治理系统。随着电动汽车市场的启动,很多商业化的产物都获得了多量量的应用。

3、电池治理系统研究内容

首先,要研究电池治理系统,一般研究单片机为焦点,车载网络为散布系统。然后研究传感,由于需要检测电池的参数。一般检测电压、电流、温度。数据和控制的传输需网络来实现,一般用CAN网络。执行机构,通过显示屏、继电器、风扇、泵、机电等来实现。

电动车电池治理系统研究

图3 电池治理系统的硬件系统示意图

有了治理的实现系统,需要治理的运行系统。对电池的治理,分为放电、充电和静置三种进程。静置涉及到温度、平安的治理。充电涉及到充电参数的配置,充电进程的监控,充电进程的温度、电压、电流的庇护。放电进程涉及到输出功率的治理,用电计划的治理,使用进程电压、电流、温度的治理。

充电放电静置城市需要参考同一个参数,就是剩余可用电量,也叫荷电状态(SOC,state of Charge)。锂离子电池的放电进程是很复杂的电化学进程,受到很多因素的影响,剩余电量的估算十分困难,困难主要来自如下几个方面:

一是电池的容量不固定,在完全相同的履历和状态参数下,电池的容量不是固定的;二是电池老化无法确定,电池的老化无法切确的随时标定,电池组内的分离水平也无法切确随时标定;三是使用进程的随机性。文献[1]对于各类SOC的估算方式进行了先容。

锂离子电池组在使用进程中,即使单节电池的性能再优越,单体之间也存在纷歧致,电池组在使用进程中也会使其特性发生变化,今朝对电池组在使用进程中单体间出现分离性的现象,并无有效的解决法子,因此需要外部来解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题。

今朝通用的平衡方式有耗能平衡,充电平衡和能量转移平衡。最典型使用最广的是耗能平衡,该方式操纵发热电阻旁路分流,原理如下图:

电动车电池治理系统研究

图4 耗能平衡的原理示意图

充电平衡是在充电竣事时,对每个单体电池零丁使用一个小充电器将其布满电。能量转移平衡由于SOC丈量的困难,虽然有很多的研发,还没有能进入实用的产物。

固然,电池治理系统做到这样还是不够的,电池在使用进程中温度会升高,温度太高锂离子电池就不能再继续使用,这是不希望出现的情况。因此,最初的电池治理系统又增加了散热治理的功能。再后来,发现低温情况下电池温度太低后充放电都无法继续进行,于是进行了加热治理。

电池使用范围的进一步扩大,电池平安问题增多,于是就有了平安治理的问题。最初的平安治理是监控,BMS将电池的数据发送到监控中心,监控中心按照数据来判定平安隐患。进一步发展到对BMS自己对平安做出预警。

电池在使用进程中总是需要维护、更换单体、做平衡等,这些工作需要诊断,假如BMS在需要之前就已经把诊断做好,数据预备好,那末相应的工作就会变得简单很多,于是电池治理系统又增加了故障诊断和报送的功能[2]。

随着退役电池的增多,电池的梯次操纵和循环使用又显示出问题来了[3],于梯次操纵电池的配组需要进行大量的研究,BMS又承当起配组优化的治理功能。

电池研发的进步,也依靠于电池使用进程中发现的问题、现象,依靠实际使用进程的选择,于是电池治理系统又增加了电池技术选择的功能[4]。

4 电池治理系统发展展望

丈量是电池治理根本,越来越切确,分辨率越来越高的技术应用于电池治理系统。SOC估算的研究也从一色的安时积分为根本发展到焦耳积分等其他方式。电池的治理功能越来越多,值得关注的是多级电池治理系统的兴起。

从主从结构,发展到每个自主置换单元能够具有完整的电池治理系统功能。在电池系统之外,整车电池治理,和后台服务器电池治理法式也在兴起。此外,值得关注的是,电池治理系统不再是被动地去庇护电池,而是优化使用和使用情况。温度治理是优化使用情况,参数推演是优化使用。随着行业的发展,可以期待更多更好的电池治理技术和产物出现。

[1] 欧阳剑, 李迪,柳俊城. 电动汽车用动力电池荷电状态估算方式研究综述[J]. 机电工程技术,2016,45(1):52-56.

[2] 赵宏涛,韩荧. 纯电动汽车电池治理系统故障分析[J]. 山东产业技术,2016,3(7):61-62.

[3] 刘道坦,范茂松. 退运电动汽车动力电池性能测试与分析[J]. 电源技术,2016,3:532-535

[4] 季迎旭,王明旺,孙威. 动力电池建模与应用综述[J]. 电源技术,2016,3:736-739.

(动力电池网微信公众号:sd-dldc)

(文/王世强,张卫林,方兰兰,李竞克,熊金峰,李浩晨)


文章来源【动力电池网】版权归原作者所有
【声明】车城网发表的该观点仅代表作者本人,与本网站立场无关,如有侵犯您的权益,请联系立删。
车城圈
买车、用车、养车等有关车交流的小圈子,期待您的加入!