电动汽车锂主动平衡电池管理系统

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1、电动汽车电动汽车主动平衡主动平衡式式锂锂电池管理系统电池管理系统 -理论理论及及简介简介部分部分 引言引言 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

2、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。 电电池管理系统的主要功能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

3、量、放电功率，报告 SOC&SOH 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。 电池管理系统电池管理系统电压平衡电压平衡方案方案及及原理原理 作为电池管理系统中最重

4、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

5、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

6、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 图 2 为了解决被动式平衡原理上的缺陷，主动式的平衡方式也很快被引入到电池管理系统中。其优势是避免了功率电阻上的无用功消耗，而将电能在不同电池中进行转移。实现的方式又可分为 3 种原理。 电容交换原理 如图 3 所示每个单体电池并联有两个开关，两个相邻的电池共享一个电容。以下图中电池 Z1 和 Z2 为例，假设 Z1 的电压高于 Z2。开关 S11 和 S21 闭合，电池 Z1 给电容 C1 充电。C1 充电完成后，S1

7、1 和 S21 开启。此时 S12 和 S22 闭合，电容 C1 将其从 Z1 中获得的能量转充到了 Z2 中。该过程作为一次能量传递循环，此循环将一直持续，直到 Z1 电压降低（Z2 电压升高）到同一水平后停止。改变两组开关的闭合开启先后顺序，亦可实现 Z2 向 Z1 中的能量传递。 图 3 电感交换原理 图 4 中描述的是以电感为能量转移介质的主动式平衡原理图，相邻两个单体电池间共享一个电感，利用感性元件在高频开关电路下电流单调性的原理，作为电能中间存储单元，来实现两个相邻电池间电压平衡。以下图中电池 Z1 和 Z2 为例，假设 Z1 的电压高于 Z2。所有开关首先处于开启状态，S12 和

8、 S21 以互补的方式被高频（15KHz 左右）开关，由于电流此时在电感 L12 的单调性，只能从 Z1 流出，向 Z2 流入。由于该原理的平衡电流可以达到理论最高 10A，所以较电容交换原理，提高了能量转移的速度，提高平衡效率。但和电容交换原理一样，该方式也只能实现相邻两个电池体间的能量直接转移。当电压最大差值出现在两个非相邻电池体间时，能量将经过间隔的所有电池逐个传递，但传递过程中效率会大大降低。 图 4 变压器原理 最后一种主动式平衡的原理如图 4 所示，每组电池都备有一个小型变压器，变压器包涵一个主绕组边和多个副绕组边。主绕组端并在整组电池上，每个电池体并有一个副绕组。在平衡时，电压最

9、低的电池单体 Zn对应绕组开关 Sn闭合，用高频开关 Sz，此时整组电池为单一电池 Zn完成充电。该方案即保护了电池组中所有单个电池，避免过放、过充。又提高了能量交换时的效率，让能量转移不只限于在相邻电池间实现。 图 5 在下表中给出了四种平衡方式的属性对比 被动式 主动式 电阻放电平衡 电容交换 电感交换 变压器 设计难度 简单 复杂 复杂 非常复杂 效率 低 中 高 很高 售价 低 较低 高 非常高 生产成本 低 较低 高 高 电池保护 一般 较好 好 很好 发热量 很大 正常 小 小 可靠性 一般 较好 高 高 生产难度 简单 简单 一般 一般 项目简介项目简介 在已经完成的理论研究和分

10、析基础上，将以西门子主动平衡式锂电池管理系统为原型基础（图 6） ，采用变压器原理的主动平衡并加以软硬件上改进。从而进一步优化电池管理，延长电池使用寿命，提高利用效率。预计使用该电池管理系统的车型将较使用被动式平衡电池管理系统提高 15%的行驶里程 。系统还加入电池实际容量检测，将显示容量误差控制在 5%左右。并配套开发小型车载液晶显示屏配套电池管理系统，以总线通讯方式获取电池信息，以辅助驾乘者实时掌握电池工况。同时通过车用高速总线（CANBUS）实现与电机驱动模块和车身系统实现数据交换，信息共享。 同时为简化日后实车上使用的维护工作，加入特殊功能。实现维护人员通过智能手机或平板电脑，无线读取电池信息，完成数据记录。并根据算法给出电池故障诊断，健康度评估及优化建议等。 图 6 项目将于 3 月中旬安排在德累斯顿经济与科学应用工程大学电动车辆研究所开展。计划 9 月份实现上述所有功能和原型机，用以进行之后的性能和可靠性测试。并在德国合作电动车生产单位的现有车型上安排路试工作。前期研发计划投入 欧元，折合 人民币。由于硬件设计上采用通用化元件，和模块化设计，在后期的生产过程中不会引入额外的昂贵生产设备需求，一般具备中小规模集成电路生产经验的厂家，稍做技术改进和人员培训即可进入批量生产。