電動汽車電池組管理系統原理分析

電動汽車電池組管理系統原理分析

由于動力電池能量和端電壓的限制，電動汽車需要采用多塊電池進行串、并聯組合，而動力電池特性的高度非線性，使得電池管理系統(BMS—Battery Management System)成為電動汽車的必備裝置。BMS一般由傳感器(用于測量電壓、電流和溫度等)、控制單元和輸入輸出接口組成。BMS最基本的功能是監控電池的工作狀態(電池的電壓、電流和溫度)、預測動力電池的電池容量(SOC)和相應的剩余行駛里程，進行電池管理以避免出現過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴重不平衡現象，最大限度地利用電池存儲能力和循環壽命，BMS的主要任務以及相應的傳感器輸入和輸出控制如表1所示。

由于電動汽車電池組中眾多動力電池之間存在制造工藝、材質、使用環境、接線方式等差異，單個電池之間存在容量、端電壓和內阻的不一致在所難免，使用充電機直接為電池組進行整體充電，必然導致單個電池之間不一致性的加劇，出現個別電池的過電壓充電。同樣，單個電池間不一致性的存在也會導致電池組放電過程中的個別電池的過放電。在車上的布置分散、動力電池單體的使用環境不同，導致電池組單體問不一致性的積累和惡化，嚴重影響電池組的使用壽命，對電池組的均衡充電以及有效的熱管理是BMS的主要功能。

動力電池組均衡充電具有三種方式：

①充電結束后實現單體電池問的自動均衡，工作原理如圖2所示，當1號電池的端電壓值高于2號電池的端電壓值，且控制開關處于如圖2(a)所示連接位置時，1號電池向電容器充電，使電容器兩端電壓與電池端電壓相等。然后，控制開關動作，切換到如圖2(b)所示連接位置，這時，電容器向2號電池充電，使2號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號電池的端電壓相平衡后，再控制開關動作，切換到如圖2(a)所示連接位置，如此反復幾次，1號電池的端電壓值和2號電池的端電壓值就達到了均衡。同樣，當2號電池的端電壓值高于1號電池的端電壓值時，開關按如上所述反復動作幾次后，也能使該兩節電池的端電壓達到平衡。

②充電過程中實現單體電池間的自動均衡，主要有三種方案，如圖3所示，充電器均衡充電控制實現了對串聯電池組中單個電池的并聯充電或獨立充電，在完全統一的充電模式和充電策略保證下，可以完全實現電池組的均衡充電，但系統組成比較復雜。

③采用輔助管理裝置，對單個電池的電流進行調整。如圖4所示，電池均衡充電過程可描述為：按照既定的充電模式和充電策略，根據實測的串聯電池組總電壓，充電器輸出一定的充電電流，Icharge，當所有電池端電壓均低于充電截止電壓時，均衡管理模塊不起作用；若有個別電池首先達到充電截止電壓，此時該電池的均衡模塊起作用，分流一部分電流i，則通過該電池的電流減為，Icharge-i，避免了對該電池的過電壓充電；當所有電池的端電壓均達到充電截止電壓時，充電器轉為恒電壓充電，充電電流逐漸減小，通過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鍵部件，包括功耗型和能量回收型兩類，功耗型對通過均衡模塊的電流以熱耗的方式散掉，能量回收型通過特殊的元件，比如陶瓷儲能器，將通過均衡模塊的電流反饋到充電主回路中。

由于動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的另外一個重要作用是在電池的充放電過程中將電池組的溫度保持在正常的工作溫度變化范圍內。冷卻后或者加熱后的空氣進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，根據電池的溫度控制風扇轉速。