第一章 电动汽车锂主动平衡电池管理系统.pdf

电动汽车主动平衡式锂电池管理系统 理论及简介部分 引言 近年来，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多 的关注。动力电池在交通领域的应用，对于减少温室气体的排放、降低大气污染以及新能源的应用有着重要的 意义。其中锂电池以高能量密度、高重复循环使用次数、重量轻以及绿色环保等优势越来越受到人们的关注， 并已经开始进入电动车、电动汽车等大功率的应用中，成为全球电动汽车发展的热点 但是由于锂电池在加热、过充/过放电流、振动、挤压等滥用条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏，甚至会 发生着火、爆炸等事件，因此安全性问题成为动力锂电池商业化推广的主要制约因素。安全型、低成本、长寿 命锂离子电池的安全标准、安全评价方法、电池制造过程的安全与可靠性控制以及通过正负极材料、电解质与 隔膜优选改善电池安全与可靠性是实现确保大型动力锂离子电池安全可靠，实用化的关键。而电池管理系统作 为电池保护和管理的核心部件，不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命， 电池管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。 电池管理系统的主要功能 电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、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 SOCSOH 状态，还根据 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、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。 电池管理系统的基本功能： 1）监测单体电芯的工作状况，例如单体电池电压、工作电流、环境温度等。 2 ）充/放电过程中，电池组单体电池间电压平衡Balancing。 3 ）保护电池，避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短，损坏，甚至发生爆炸、 起火等危害人身安全的事故。 电池管理系统电压平衡方案及原理 作为电池管理系统中最重要的功能之一，可保护或避免单个电池由于容量的不统一造成的过充/过放电现象。 在串联电池组充电过程中，当单个电池达到饱和电压后，会造成整体电池组充电电流下降，延长充电时间。此 时该较小的充电电流会在饱和的单体电池上，造成过充，并以发热的形式散发掉这部分不可被存储的电能。该 状态会迅速降低电池寿命，减小电池的容量。放电过程中，当单个电池达到最小放电电压后，应该进入保护状 态。但由于电池组中其他电池仍有能量剩余继续放电，造成了在单个电池上的过放电。该状态也将极大影响电 池容量。电压平衡的引入可以很好解决上述两种影响电池性能和寿命的工况。国际上当前有两种流行的电压平 衡处理方案：被动式平衡和主动式平衡 被动式平衡原理如图1 所示，电池组中每个单体电池都并联一个小阻值的功率电阻。电池管理系统周期性 检测每个电池的电压，由于单个电池的非一致性，允许存在较小的电压差 （20mV 左右）。但当两个电池体间电 压差超过允许最大差值时，电压高的单个电池所对应的开关被闭合，其存储的电能将在功率电阻上以热能的形 式被释放，保证了所有电池电压的一致性。被动式平衡原理及实现方式简单，造价低，但缺点也非常明显。充 电时为保证所有电池都能被充满，首先到达饱和的电池其对应开关在充电完成前，始终处于闭合状态。功率电 阻代替电池发热，虽然在一定程度上保护了电池，但降低了充电时的效率。同时在放电状态下，为保护单个电 池不被过放电。所有电池电压都被降低，保持在与最低电压的单体电池同一水平，在功率电阻上的消耗，又增 加了无用功率部分，导致车辆的行驶里程下降。图2 为德国西门子的被动式电源管理模块功率电路部分。 图1