新能源汽车动力蓄电池管理控制技术设计分析与探究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：张世达（1973），男，大学本科学历，2023 年任职于中锐教育集团，高级工程师，研究方向为新能源汽车设计、新能源汽车检测与维修技术和智能网联汽车等。-95-新能源汽车动力蓄电池管理控制技术设计分析与探究 张世达 中锐教育集团，上海 200335 摘要：摘要：本文对动力蓄电池管理控制技术在新能源汽车中的应用进行了分析和探索。首先，阐述了动力蓄电池管理控制技术发展特点，总结了动力蓄电池管控技术的应用，分析了当前动力蓄电池管控技术的技术特点和发展趋势，列举了动力蓄电池管控技术在我国新能源汽车中的应用和优化措施，旨在为推动动力蓄电池管控技术在新能源汽车中的发展提供理论参考。关键词：关键词：新能源汽车；动力蓄电池管理模块（BMS）；动力蓄电池管理控制技术 中图分类号：中图分类号：TP399 0 引言 随着新能源汽车销售的快速发展，新能源汽车发展趋势突出，在人们生活中的地位越来越重要。作为核心部件，动力蓄电池技术的发展尤为关键，而动力蓄电池的管理和控制技术是影响动力蓄电池未来发展的关键技术。动力蓄电池管理系统(BMS)是整个动力蓄电池的决策控制中心。是为了保证每个电池能在安全的电压、电流和温度范围内运行，防止单个电池的早期损坏，确定电池的充放电功率，延长电池的使用寿命，以及在异常情况下采取保护措施。1 动力蓄电池管理控制技术发展与特点 基于对动力蓄电池管理的技术探索、技术调研和专家讨论，我们首先描述了动力蓄电池管理模块的分类，然后重点介绍了动力蓄电池管理和控制的技术特点。1.1 动力蓄电池管理模块的分类 在动力蓄电池管理模块中，根据硬件电路分为两个功能模块，即主模块和从模块。主模块主要负责整个动力蓄电池系统的管理和控制，就像人脑或者计算机的中央处理器一样。从模块主要负责监测电池的状态，通过采集电压、电流、温度等数据信号来监测相关状态。动力蓄电池管理模块的分类就是这两个功能模块之间的组成关系。常见的分类有:一体化 BMS、主从式 BMS、分布式 BMS 和无线 BMS。1.1.1 一体式 BMS 由于微型电动汽车的单体电池数量少，为了降低系统成本，方便系统布局，可以将电池从模块和电池主模块集成到一块板上，实现一体化的 BMS 控制。集成式 BMS 的优点是系统开发简单、成本低、占用空间少、维护简单。缺点是只适合单体电池数量少的应用，因为如果单体电池数量太多，集成 BMS 提供的接口数量无法满足电池数量的要求。此外，集成的BMS 经常会因为太多太长的收集线而造成安全隐患。主要应用如电动工具、机器人（搬运机器人、助力机器人）、IOT 智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车。1.1.2 主从式 BMS 主从式 BMS 由一个主模块和若干个从模块组成，其中主模块主要监测整个电池系统的总电压和总电流以及电池系统的绝缘状态；估计SOC、SOH和其他状态；做出平衡的决策，制定平衡的策略等。控制预充电电路、主正负接触器等。与车辆控制器通信；以及通过与充电器通信来控制电池组的充电过程。从控制模块主要负责监测电池单元的电压和温度，并对电池实施具体的均衡控制。一个从模块可以监控多个模块，并将采集到的电压和温度数据通过 CAN 总线发送给主模块。1.1.3 分布式 BMS 分布式 BMS 和主从式 BMS 的主要区别在于从模块的数量和安装位置不同。分布式BMS中有很多从模块，一般和电池模块集成在一起。其优点是可以简化电池模块的组装过程，减少取样线束，相对容易固定，线束间距均匀，不存在电压降不同的问题，易于标准化，中国科技期刊数据库 工业 A-96-模块化电池模块的生产和维护，并逐步利用电池。目前主流的量产电动车型普遍采用了分布式的BMS架构，如 BMW i3/i8/X1，Tesla Model S/X，GM Volt/Bolt，BYD 秦/唐，荣威 e550/e950/eRX5 等等。1.1.4 BMS 与 VCU 集成式 电池管理系统(BMS)和车辆控制器(VCU)的集成将使整个控制更加高效和方便。随着集成电路的发展，微控制器的功能和资源大大加强，为 BMS 主控和整车控制器的集成提供了可能。集成后，通过简化 BMS 的职责，可以更专注于电池本身的管理，BMS 的主要控制功能集成到车辆控制器中，实现对车辆更合理的控制。具体表现在以下几个方面：-BMS 将回归专注于动力蓄电池本身的信息处理，只实现动力蓄电池的信息采集、状态评估、平衡和状态报警，不参与整车的控制。-VCU 和 BMS 主控统一，减少了中间环节，提高了整车系统的实时性、安全性和可靠性。由于 BMS 的主控部件减少，动力蓄电池成本降低。1.1.5 菊花链式 BMS 菊花链技术采用 BMS 集中式架构设计，在 BMS 主板上只保留了微控制器，从一个板卡简化为简单围绕AFE 芯片(电池采样芯片，用于采集电池电压和温度等)功能的小板卡。)，AFE 采集的信息通过差分隔离信号直接传输到主控模块。与分布式架构 BMS 相比，菊花链 BMS 具有明显的成本优势。菊花链通信取消了主从模块的 CAN 芯片，代之以相应的转换芯片。这些转换芯片的成本比 CAN芯片低，线束也会明显减少。从模块需要隔离通信，使用的隔离器件通常是变压器和高压电容。1.1.6 无线式 BMS 无线 BMS 系统拓扑结构，所有从模块都可以通过无线传输方式向主模块发送数据。无线 BMS 形成网络环境，使得通信路径更加多样化。同时，无线传输解决了长期以来汽车线束和连接器带来的可靠性问题。无线 BMS 可以减少线束，节省内部空间，降低成本，提高系统的抗电磁干扰能力。1.2 动力蓄电池管理控制技术 动力蓄电池管理控制技术主要分析动力蓄电池管理模块的功能和动力蓄电池监测传感器的认知，这也是技术的核心。1.2.1 动力蓄电池管理模块的功能 电池管理系统（BMS）功能主要有五大部分：电池数据采集、电池状态分析、电池安全保护、电池能量管理控制、电池信息管理。1.2.1.1 电池数据采集 电池数据采集包括电压、温度、电流、绝缘电阻和高压互锁状态的数据采集，可为电池系统后续的状态分析、控制和保护提供依据。电压采集包括每个电池串的电压、电池模块的电压和电池系统的总电压。温度采集包括单体电池表面温度、液冷进出水温度、快充界面温度、BMS 工作内部温度。电流采集主要通过分流器或霍尔电流传感器采集电池系统主电路的电流，通过安时积分等估算方法估算电池系统的状态。绝缘电阻主要采集电池系统总正极与箱体之间的绝缘电阻，以及电池系统总负极与箱体之间的绝缘电阻。高压联锁包括高压连接器的联锁状态和 MSD 的联锁状态。1.2.1.2 电池状态分析（1）荷电状态（SOC）评估 SOC 是电池的荷电状态，也称为剩余电量，表示电池使用一段时间或放置较长时间后剩余的可放电电量与其充满电电量的比值，通常用百分比表示。电池 SOC无法直接测量，需要 BMS 根据电池端电压、充放电电流、内阻综合估算。（2）健康状态（SOH)评估 电池 SOH 表示当前电池相对于新电池储存电能的能力，以百分比的形式表示电池从寿命开始到结束的状态，用来定量描述当前电池的性能状态。SOH 的估算主要与电池的实际容量、内阻、循环次数和峰值功率有关。（3）电池安全保护 当电池系统出现过压、欠压、超高温、超低温、过电流、低绝缘、电压采集线断线、温度采集线断线、异常高压联锁等故障时。，BMS 需要及时对电池系统进行保护，根据故障的严重程度采取限电、立即断电等保护措施，保证电池系统在安全的前提下最大限度地利用其储存的能量。在低温或高温环境下，当电池系统需要充放电时，BMS 会首先向整车上报单体电池的表面温度和液冷进出接口的温度。通过分析 BMS 上报的温度数据，整车会启动液冷系统进行加热或散热，使电池系统在合适的环境温度下充放电。BMS 采集快充接口的温度，是为了判断快充接口是否连接良好，或者中国科技期刊数据库 工业 A-97-接口是否因过流而过热，防止发生安全事故。（4）电池均衡管理 由于生产工艺和使用环境的影响，电池组中的单个电芯之间总是存在一定程度的不一致性。电池的均衡管理是指采取一定的措施，尽可能减少电池不一致性带来的负面影响，从而优化电池组的整体放电效率，延长电池组的整体寿命。均衡可分为主动均衡和被动均衡。主动平衡是在单体压差过大时，将高电压单体中的能量转移给低电压单体，从而达到平衡。被动均衡就是在单体之间的电压差过大时，在那些高电压的单体串上并联一个电阻，消耗一部分能量，最终达到均衡的功能。（5）电池信息管理 由于新能源汽车的动力蓄电池组中有大量的单体电池，电池管理单元实时监测每个单体电池的电压、电流和温度状态，因此整个动力蓄电池每秒钟都会产生大量的数据。有些数据需要通过通信网络传输到电池管理系统之外的控制器(如车辆控制器、电机控制器)，有些需要作为历史数据存储在系统中。1.2.2 动力蓄电池监控传感器认知 动力蓄电池监控传感器包括电流传感器、漏电传感器、烟雾传感器，及电池模组内部的温度和电压监测等。1.2.2.1 电流传感器的作用与分类 电流传感器作用是对动力蓄电池的充电和放电电流的大小进行监测，防止过充过放现象发生，同时避免电流过大造成电池温度快速升高，导致电池内部出现热失控现象。电流传感器主要分为两种：霍尔式电流传感器和分流器式电流传感器两种技术。这两种传感器都可应用在大电流高精度测量方面。霍尔电流传感器是利用霍尔效应原理测量电流的电子元件，霍尔元件是利用霍尔效应的半导体。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体和半导体中的载流子时产生的具有横向电位差的霍尔电压。一般情况下，被测导体(母线)穿过霍尔电流传感器的中心孔，霍尔传感器内部的霍尔元件感应导体周围的磁场，并将磁场强度转化为电信号。通常感应的电信号很小，只有几毫伏，所以需要通过放大电路放大。为了提高抗干扰能力，大部分放大电路已经嵌入到传感器中，使得传感器输出信号可以直接使用。分流传感器实际上是一个电阻很小的电阻，串联在被监测电路中。分流式电流传感器的电阻值与电流的工作范围有关。比如动力蓄电池的工作电流范围为0 300 A，如果要求分流器上的最大压降为 75mV，那么分流器的电阻值为 0.25 m。当然 75mV 的电压值比较小，所以通常可以在 AD 转换(模数转换)之前加一个合适的放大电路。1.2.2.2 漏电传感器的作用与位置 高压电储存在新能源汽车的动力蓄电池中，高压电设备工作时的电压也是高压电。一般情况下，高压电与车身底盘完全绝缘，但不排除由于长时间高压电缆老化或受潮导致绝缘降低而使车身带电，新能源汽车工作环境复杂，如振动、温湿度变化快、酸碱气体腐蚀等，会造成绝缘层损坏，降低绝缘性能。为了准确、实时地监测高压电系统对车辆底盘的绝缘性能，保障驾乘人员的安全和车辆的安全运行，在新能源汽车上安装了漏电传感器，又称绝缘监测传感器。漏电传感器可以通过实时监测高压元件与车身之间的阻抗来判断车辆是否存在漏电风险。漏电传感器一般安装在动力蓄电池内部或高压控制箱(PDU)内。漏电传感器通过监测动力蓄电池输出端连接的正极母线与车辆底盘之间的绝缘电阻来判断高压系统是否存在漏电。漏电传感器通过 CAN 总线或硬线将漏电数据信息发送给动力蓄电池管理系统(BMS)或车辆控制器(VCU)，并根据漏电状态采取相应的保护措施。1.2.2.3 烟雾传感器的作用与分类 烟雾传感器采集动力蓄电池箱体内部烟雾浓度，烟雾传感器将监测到的信号发送至控制单元，当烟雾浓度过高时，控制单元控制报警装置发出声光报警，报警装置一般安装在驾驶人控制台处，保证驾驶人能够及时发现报警器发出的报警信号。（1）烟雾报警器的作用位置 烟雾传感器用于检测环境中是否有烟雾以及烟雾的浓度。当烟雾探头接触到烟雾或某种特定气体时，烟雾探头的内阻发生变化，产生一个模拟值，从而实现对烟雾的监测。烟雾传感器安装在动力蓄电池箱体内部，为了快速准确监测箱体烟雾情况，可以将多个烟雾布置在不同位置配合监测。（2）烟雾传感器分类与原理 中国科技期刊数据库 工业 A-98-烟雾传感器主要有离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。离子式烟雾传感器 离子烟雾传感器在内外电离室中有一个放射源镅241。电离产生的正负离子在电场的作用下分别向正负电极移动。正常情况下，内外电离室的电流和电压是稳定的。一旦有烟，外面的电离室就会迅速消失。如果带电粒子的正常运动受到干扰，电流和电压就会发生变化，破坏内外电离室之间的平衡，于是就会产生烟雾超标的报警信号，控制单元收到信号后就会采取保护措施。光电式烟雾报警器 光电烟雾报警器中有一个光学迷宫，装有红外计数管。没有烟雾时，红外接收管接收不到红外发射管发出的红外光。当烟雾进入光学迷宫时，接收管通过折射和反射接收红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过则报警。气敏式烟雾传感器 气敏感烟传感器是一种检测特定气体的传感器。主要包括半导体气体传感器、接触式燃烧气体传感器和电化学气体传感器，其中使用最多的是半导体气体传感器。其主要应用场景有:检测一氧化碳气体、检测气体、检测气体、检测氟利昂(R11、R12)等。气敏感烟传感器将气体种类及其浓度的信息转化为电信号，根据这些电信号的强弱，可以获得环境中待检测气体存在的信息，从而对其进行检测、监控和报警。2 动力蓄电池管理控制技术存在的问题 随着新能源汽车销量的增加，新能源动力蓄电池的故障率也随之增加，动力蓄电池的热失控成为主机厂监控的重中之重。但从其整体表现来看，电池管理系统功能不完善，技术不成熟，应用范围有限，通用性不强。主要表现在以下几个方面：（1)随着时间的使用，BMS 对电压和温度的数据采集精度不够精确。（2)BMS 无法估算动力蓄电池在整个生命周期内的 SOC 值。（3)单体电池间能量均衡控制效果不好。（4)BMS 对电池组自诊断功能还不是很完善。3 动力蓄电池控制技术发展趋势 动力蓄电池控制技术是新能源汽车的关键技术之一，其作用是安全有效地监控和管理电池，提高电池的使用效率。随着电池容量计算精度的不断提高，电池技术更加先进，充放电曲线更加平坦，电池管理芯片需要更高的测量精度。未来的动力蓄电池控制技术将主要突破以下两个方面：3.1 精准监测信息，为做好控制做准备 控制技术的准确性来自于对真实信息的全面把握。因此，灵敏的感知能力是电池管理系统实现最优控制的前提。只有充分掌握电池的使用方法，才能更好地管理电池。电池管理系统会监测系统中每块电池的电压，哪怕是 1mv 的微小变化也能识别出来。同时，系统中每个区域都装有温度传感器，可以全面感知电池系统的热场分布。在充放电过程中，电池的输入输出电流会被实时记录，为电池状态的评估提供了有效的依据。电池管理系统还会监测电池的绝缘特性，确保电池的高电压与车身完全隔离，保证安全运行。同时，电池管理系统将对上述监控功能进行实时诊断和验证。一旦监控系统出现故障，就会启动冗余方案，保证电池管理系统的感知能力始终处于灵敏状态。3.2 提升 BMS 均衡能力 BMS 处理单个细胞之间的差异。电动汽车的动力蓄电池危及电池组的高效率和安全系数。因此，如何补偿电池充电的不一致性，保持电池之间的相对一致性，将是未来电池智能管理系统发展趋势的另一个方向。它由许多单电池串联而成。因为在生产过程中不可能保证每一块电池都完全一样，所以即使是同型号同规格的电池，其工作电压、电阻、电池体积等主要物理参数也会有一定的差异。这种组合很可能已经被应用了。它将进一步扩大。电池多次充电后，会越来越不平衡，严重危及电池组的应用效率和安全系数。因此，如何补偿电池充电的不一致性，保持电池之间的相对一致性，将是未来电池智能管理系统发展趋势的另一个方向。电池管理系统需要确保所有电池始终保持一致的充电状态。一个优秀的电池组应该像阅兵一样整齐方正，在前进的过程中保持同样的步伐。在通用汽车公司，我们采用了高度可靠的电池平衡技术。一旦确定电池之间的电荷差异，我们可以立即释放高电荷电池的能量，并及时将所有电池调整到相同的速度。中国科技期刊数据库 工业 A-99-4 结语 总之，动力蓄电池的控制技术是动力蓄电池的核心技术，保证每个电池都能在安全的电压、电流和温度范围内运行，防止单体电池的早期损坏，决定电池的充放电功率，延长电池的使用寿命。在新能源汽车技术飞速发展的今天，它是先进技术的典型代表。本文提出的动力蓄电池管控技术的优势与发展，技术人员不仅要不断研究动力蓄电池管控技术，提高其性能，还要不断探索更高效、更稳定的系统，从而大大提高动力蓄电池的质量和效率，减少企业不必要的投资，大大提高整个动力蓄电池系统的生产效率。参考文献 1广东大普通信技术股份有限公司.大普通信高精度高可靠性 RTC为新能源汽车BMS安全管理助力J.中国集成电路,2022,31(07):87-89.2翟东风,李济禄,张旱年等.新能源 BMS 控制策略探讨J.汽车实用技术,2020,45(24):6-7,18.3张红超.新能源汽车锂电池的 BMS 功能性设计研究J.河南科技,2020,39(31):118-120.4 于 如 兴,杨 晓 华,张 桂 华 等.电 动 汽 车 产 业 化 BMS 关 键 技 术 现 状 及 发 展 趋 势 J.汽 车 实 用 技术,2020,45(20):17-19.5杨晔.新能源汽车动力电池关键技术的研究现状J.南方农机,2020,51(16):132-133.6刘凌飞.动力电池管理系统实验实训技术研究D.天津:天津职业技术师范大学,2020.7冯雪松,新能源汽车动力电池管理系统(BMS)关键技术开发Z.8韩豫萍.基于功能安全的 BMS 设计J.时代汽车,2019(08):82-83.9翁志福.新能源汽车动力电池管理系统研究D.成都:西南交通大学,2019.10刘国军.新能源汽车三大关键技术分析J.中国新通信,2019,21(10):240-241.11齐凯.新能源汽车 BMS 核心技术及发展前景J.科技创新导报,2019,16(13):117-118,120.12陈新,潘天堂.新能源汽车技术M.南京大学出版社:高职高专“十三五”规划教材汽车专业系列,2019.13茅龚丹.新能源汽车技术标准发展动态J.装备机械,2018(04):61-64.14田晓东.发展新能源汽车产业重在技术创新J.科技创新与品牌,2012(02):62-63.15谭立斌.会议精华共享2011汽车与配件-平安证券新能源汽车研讨会系列报告(二)电动车用动力蓄电池的技术发展研究J.汽车与配件,2011(44):16-19.16王军,吉建平,朱会田.新能源汽车动力蓄电池的分析及研究C/中国汽车工程学会.2011 中国汽车工程学会年会论文集.2011 中国汽车工程学会年会论文集,2011:207-209.17罗锦陵.挑战全球新能源汽车的“2011 年2020 年发展规划”(四)车用动力蓄电池的发展J.汽车与配件,2010(41):8.18赵刚.新能源技术的发展趋势与投资前景分析J.科技创新与生产力,2010(06):9-18.