纯电动汽车_5_电池管理系统和能量管理系统

另外一种 穿梭充电 方法让相 邻两节电 池共享一 个快速电 容
能量转换
用能量转换进行单体均衡是采用电感线圈 或变压器来将能量从一节或一组电池转移 到另一节或一组电池。两种积极的能量转 换方法是开关变压器方法和共享变压器方 法。
开关变压器 开关变压器方法
共享一个与前面 快速电容器相同 的开关拓扑。整 个电池组的电流I 流入变压器T，变 压器的输出经过 二极管D校正后 流入单体Bn。这 由开关S的设置 来决定，此外还 需要一个电子控 制器件来选择目 标电池和设置开 关S。
5.安时法:这种方法基于的原理较为简单，它将电池视为一 个密闭的对象系统，并不去研究相对而言较为复杂的电化 学反应及电池内部各参数之间的关系，而是着眼于该系统 的外部特征，在电量监测中即着眼于进出电池这一密闭系 统的电量。 该方法采用积分实时测量充入电池和从电池放出的能量， 对电池的电量进行长时间的记录和监测，从而能够给出电 池任意时刻的剩余电量。该方法较前述的几种方法而言， 实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微 机监测的优点。 但是安时法没有从电池内部解决电量与电池状态的关系， 而只是从外部记录进出电池的能量，不可避免的使电量的 计量可能因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温 度老化因素的影响等。要提高安时法的精度，就必须对这 些因素有较好的处理方法，建立相应的电量补偿关系。
一个完整的蓄电池管理系统应该包括以下 这些方面: ①充放电管理 ②均衡充电 ③容量预测 ④电池状态检测
电池管理系统的基本结构
电池管理系统测量 单个或小组电池的 电压、 温度、 电流 和内阻等参数 ,一方 面用于防止电池过 充、 过放和过热 ,另 一方面用来估计或 修正 SOC值。系统 还需实现均衡控制 和其他辅助功能。
国外电池管理系统研究状况
六个热敏电阻进行温度采样 以电池组的平均特性控制充电 过放电报警并降低电动汽车行驶性能 电量或里程计算，高压回流继电器（High Voltage Bus Relays） 总的说来，EV1的电池管理系统与一般意义上的电池管理 系统有区别，它把系统侧重点放在了电池组的可靠性 （Safety Features）上。EV1电池管理系统的可靠性措施 有： 电池组高压断电保护装置 手动断电开关 地线绝缘失效检测 自动开关与手动开关连锁
共享变压器和多个变压器
soc常用的方法介绍
1.开路电压法：即通过检测开路电压来得到 酸电池的剩余容量与它的开路电压有一定 的关系，能够直接得到剩余容量的大小， 电动车要求能中准确的显示剩余容量，而 充放电进行的过程中开外虽然这种方法能 够直接比较准确的得到剩余容量,容量绝对 值是随着温度、电池退化等因素变化，使 得这种方法一般用于UPS、储能电池，对 用于电动车误差较大。
能耗的均衡方法
利用发热电阻旁路分流 旁路分流均衡法对每一节电 池都接上一个旁路。在浮充 阶段，将那些已完全充满的 单体的旁路接通已进行分流。 这种系统对那些充电率已知 的系统尤其适用。旁路电阻 R的大小要刚好能小，则旁 路电阻则可对电池单体进行 放电。
无能耗的均衡方法
无能耗的均衡方法是利用一个活动的分流 元件或电压或者电流转换器件来将能量从 一节单体转移到另一节单体。这些器件可 以是模拟的，也可以是数字的。两种主要 的方法是旁路分流和能量转换。 穿梭充电 能量转换
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5 SmartGuard系统 这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式 的管理装置(用了专用IC)来测量电池的电压和温 度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电 路。SmartGuard的主要功能有： 过充检测并防止过充； 提供放电极性反向报警； 电池历史记录和归档； 提供最差电池单元的剩余电量信息。
蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂 性表现为： (1)多变量 影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活 性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的 最大充电电流有直接的影响。 (2)非线性 一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律 下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。 (3)复杂的电化学性 即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的 历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有 很大的不同。 作为给电动车提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性， 其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对电 池的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和 性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优 势，但对监测系统也有更高的要求。如果控制不当，不仅 对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。
对电动车，我们需要通过均衡来使电池获得最大 的使用容量。使用时，失衡电池会过早的达到终 止电压（尤其在4.1到4.3伏/节之间），从而促使 充电机停止充电。单体均衡可以解决这一问题， 他可以控制电压较高的电池以使其他电池达到同 一水平。用这种方法，充电机直到所有电池都同 时达到终止电压时才停止工作。 传统的铅酸电池可以通过适当的过充来解决，铅 酸电池并不会由于过充而成永久性的损坏。由于 过充的能量可以通过析气来释放，析气机制是解 决铅酸池均衡的一种很自然的方法。别的化学物 质，例如镍氢电池，也可以通过这种法来均衡。 由于锂电池不能被过充，不能采用上述这种方法 来均衡。因此，我们必须用别的方法。 目前国内外主要采用两大类方法：能耗的方法、 无能耗的方法。
当电池出现过充或过放等异常情况时，电池的专 家诊断系统给出报警信号并对充电机或用电设备 给出控制信号，同时建立电池的历史档案，根据 这些历史档案给出每个电池的健康状态即维护信 息，起到电池保健医生的作用。 总之，电池管理系统是一个处于监控运行及保护 电池关键技术中的核心地位，能给出剩余电量和 功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等 功能集合的综合系统。
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2 BADICOaCH是BADICHEQ系统的改进，它有以下特点： 它的一个最重要的特点是在每个电池单元上加一个非线性 电路(WLC)来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压 都通过一条信号线传递给BADICOaCH系统，并在那里解 码； 装有两条PWM信号输出线来控制充电电流和电压的大小； 最差电池单元的剩余电量被显示出来； 给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号； 对最近24个充放电周期的详细数据进行存贮并允许在对电 池好坏作判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情 况； 与PC机数据传送采用RS232标准。
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1 BADICHEQ系统及BADICOaCH系统 BADICHEQ系统是在1991年开始设计的，并于1991年12 月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于1992年4月 达到如下功能： 能同时对20个电池单元进行电压测量； 能进行电流和温度测量； 能根据电池单元对主充电机的充电电流进行控制； 能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电； 能储存历史数据和与PC机进行数据通信； 在仪表盘上显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实 际电池电量以及各种异常报警。
穿梭充电均衡机制需要一个设备，它能从 某一节单体得到电量、储存、然后将电量 转移到另一节单体上。旁路分流有几种具 体的分流方案，最著名的便是利用快速电 容
电子控制器件接通相应开关以 使电容C通过单体B1进行充电， 充满后，开关断开。然后合上 相应开关以接通电容C和单体 B2。由于和存在电压上的差 异，于是电量便转送到了B2。 用同样的方式，电容C分别接 通B3、B4……Bn、B1……如 此循环。高电量的单体将对C 进行充电，而低电量的单体将 从C获得电量。用这种方法， 高电量单体上的部分电量将转 移到低电量的单体上。这种方 法所需的唯一电子控制器件是 一个固定的开关序列，以接通 和断开相应开关。
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3 BATTMAN系统 BATTMAN电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型 电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软 件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管 理。之所以要这样作，是根据对不同型号的电池组的管理 可分为共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大 的比重，他认为这些共同的部分是： 决定电池能存贮的电流能量； 决定最弱电池单元的剩余电量； 能影响电池的运行和数据的记录； 温度的测量。
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6 BatOpt系统 该系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元 组成一个分布式系统。通过two_wire总线，监控 模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主 控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充 电策略，它有如下特点： 每个模块提供5安培的均充电流； 模块有温度监控 two_wire总线接口。
第二章 纯电动汽车（蓄电池 电动汽车）Battery Electric Vehicles(BEV)
内容
电池管理发展状况分析 电池管理系统分析 整车能量管理系统分析 整车分析
针对纯电动汽车，电池管理系统不仅能够正确监 测使用过程中消耗的量，而且能够预测电池所剩 余的电量即剩余电量，并根据汽车的当前行预测 汽车的续驶里程，这样可减轻驾驶员的心理负担， 以避免半路抛锚。 电动车上的电池一般都是采用多个电池串联使用 的，串联使用的电池的充放电和单体电池的充放 电过程相比较要复杂的多，主要原因就是在电池 组内电池的不一致性。电池的不一致性会严重影 响电动汽车的性能，因此对单体电池进行均衡也 十分重要。
充电法
恒压充电法
充电装置
多种动力电池充电器的智能切换
2.4
电动汽车能量管理系统
蓄电池的充放电管理 蓄电池管理系统具有保护和诊断蓄电池的作用。 ◇防止蓄电池过电流放电(放电电流大于最大允许放电 电流) ◇防止欠电压放电(放电过程中蓄电池电压低于截止电 压) ◇防止过电流充电(充电电流高于允许的最大充电电流) ◇防止过电压充电(充电过程中蓄电池电压高于发泡电 压) 上述限定值随着蓄电池类型、样式、充放电电流、工 作温度和蓄电池老化程度不同而有所变化。
2.恒流电压法:即检测铅酸电池在恒流放电 时的端电压。这种方法比较准确。但电动 车在行驶时是变负载的，铅酸电池的放电 电流是变化而不是恒定的。所以，这种方 法应用于电动车能量管理系统中不太合适。
3.内阻法:即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余 容量，这种方法实现比较困难，因为电池的工作 条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考 虑电动势的大小、端电压、放电电流值，在电动 车的实际工况下，特别是电流变化是很快的，因 此计算起来比较复杂，另外在放电的初பைடு நூலகம்，内阻 随放电率的变化并不明显，即在电池放电的前期， 应用内阻法是不准确的，因此内阻法应用于电动 车能量管理系统来计算剩余容量误差较大。
4.检测溶液密度法:即检测铅酸蓄电池溶液的密度， 因为铅酸蓄电池的剩余容量跟它的溶液密度有一 定的关系，通过溶液密度来得到剩余容量，这种 方法准确可靠。但是应用到电动汽车上却不合适， 一方面现在电动汽车为了提高抗震性一般采用密 封铅酸蓄电池，这种蓄电池检测溶液密度十分困 难。另一方面由于充电时产生冒气现象，即水分 解成氧气和氢气从正负极冒出，这样使得铅酸蓄 电池溶液水分减少，密度增加。这时通过检测溶 液密度来得到剩余容量可靠性就差多了。
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4 EV1的电池管理系统 通用汽车公司推出的EV1电动汽车由26个铅酸蓄电池供电， 放电深度80％，电池寿命是450个深放电周期，113公里 市内行驶里程（美国环保局指标，USA EPASchedule）， 145公里高速公路行驶里程（美国环保局指标，USA EPA Schedule）。EV1的电池管理系统概念定义包括四个组成 部分： 电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统） 软件BPM（Battery Pack Module） 电池组热系统 电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect） 可见，EV1的电池管理系统的核心是BPM。BPM有以下功 能： 单电池电压监测 电池组电流分流采样 电池组高压保护（保险丝）