國際電動(dòng)學(xué)會(huì)(IEC)在1995年制定的電池管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中給出的電池管理系統(tǒng)應(yīng)有的主要功能包括:顯示SOC;提供電池溫度信息,電池高溫報(bào)警;顯示電解液狀態(tài);電池性能異常早期報(bào)警;提供電池老化信息;記錄電池關(guān)鍵數(shù)據(jù)等。
當(dāng)95年制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),電池的發(fā)展還沒有達(dá)到電動(dòng)車輛的要求,主要采用的鉛酸蓄電池,人們對(duì)電動(dòng)車、尤其是混合電動(dòng)車的認(rèn)識(shí)還不夠。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,對(duì)先進(jìn)電池的需求和對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求也日益提高。電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)比較復(fù)雜,需要針對(duì)車用動(dòng)力電池專門設(shè)計(jì),并且對(duì)于不同的動(dòng)力電池,對(duì)管理系統(tǒng)的要求也有差異。實(shí)用的電池管理系統(tǒng)功能主要包括:數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計(jì)、能量管理、熱管理、安全管理和通信功能,其他擴(kuò)展功臺(tái)旨包括充電管理、數(shù)據(jù)顯示、能量管理和故障診斷等。
電池管理系統(tǒng)的所有算法、電動(dòng)車的能量控制策略、駕駛員的駕駛信息等都以采集的數(shù)據(jù)作為輸入,采樣速度、精度和前置濾波特性是影響電池管理系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。電動(dòng)汽車管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于200Hz。電池能量管理系統(tǒng)按電池包內(nèi)安裝的傳感器提供的信號(hào)對(duì)電池進(jìn)行管理。電池箱內(nèi)通常有溫度傳感器及電壓、電流或內(nèi)阻的測(cè)量裝置。
電動(dòng)汽車電池狀態(tài)主要包括SOC和SOH等。是車輛進(jìn)行能量或功率匹配和控制的重要依據(jù)。電動(dòng)汽車在行車過程中,該系統(tǒng)能隨時(shí)對(duì)車輛的能耗進(jìn)行計(jì)算,最終給出該電源系統(tǒng)的SOC值,供多能源管理系統(tǒng)或整車控制器進(jìn)行功率配置或確定控制策略,對(duì)于純電動(dòng)車來說使駕駛?cè)藛T知道車輛的續(xù)駛里程,以便決定如何行駛,在能量允許的條件下使車輛行駛到具有充電功能的地方,補(bǔ)充電量防止半路拋錨。
在能量管理中,電流、電壓、溫度、SOC、SOH 參數(shù)作為輸入用來完成以下功能:控制充電過程,包括均衡充電;用SOC、SOH和溫度限制電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的輸入、輸出功率與能量;放電過程的監(jiān)控與管理。
電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的安全管理具體功能包括監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等是否超過限制;防止電池過度放電,尤其是防止個(gè)別電池單體過度放電,防止電池過熱而發(fā)生熱失控;防止電池出現(xiàn)能量回饋時(shí)的過充電;在電源系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣度下降時(shí)對(duì)整車多能源控制系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警或強(qiáng)行切斷電源以及電源系統(tǒng)出現(xiàn)短路情況下的保護(hù)等。
對(duì)大功率放電和高溫條件下使用的電池組,電池的熱管理尤為必要。熱管理的功能是使電池單體溫度均衡,并保持在合理的范圍內(nèi),對(duì)高溫電池實(shí)施冷卻,在低溫條件下對(duì)電池進(jìn)行加熱等。由于溫度的變化對(duì)其他參數(shù)都有影響,所以一般都以電池模塊的溫度來做為控制的指令信號(hào)。
電池管理系統(tǒng)與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信是其重要功能之一。根據(jù)應(yīng)用需要,數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口,如模擬信號(hào)、PWM信號(hào)、CAN總線或I2C串行接口。某些BMS還有遠(yuǎn)程通信功能,將電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。CAN總線是一種通信速率高、可靠性高的現(xiàn)場總線,在汽車電控裝置中應(yīng)用廣泛,使用CAN總線可減 少線束的重量,提高汽車各電控單元之間通信的可靠性。
對(duì)電動(dòng)汽車電池的歷史狀況、尤其是故障狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行貯存。相當(dāng)于飛機(jī)的“黑匣子”,便于對(duì)故障狀況進(jìn)行分析和判斷。
電池管理系統(tǒng)隨時(shí)參與整車檢測(cè)工作,檢測(cè)電池的工作狀態(tài),尤其對(duì)每只電池的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析,將檢測(cè)的數(shù)據(jù)在車輛停駛、充電之前“通知”充電機(jī),即“車與機(jī)”的對(duì)話。告訴充電機(jī),電池組的工作狀態(tài)及每只電池的技術(shù)狀態(tài),“落后”電池和“先進(jìn)”電池性能差異。系統(tǒng)計(jì)算此時(shí)充電機(jī)應(yīng)當(dāng)采用何種充電模式給電池充電,才能達(dá)到給電池充足,性能好的電池不能過充,而性能差的電池又能充足,保證整車能量的供應(yīng)。在放電過程中保證性能差的電池不能過放,這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是電池能量管理系統(tǒng)最重要的功能之一。
如果車輛安裝輔助電池,電池能量管理系統(tǒng)應(yīng)能控制動(dòng)力電池隨時(shí)給輔助電池模塊充電,保證輔助電池模塊的供電功能即DC/DC的轉(zhuǎn)換功能,保證低壓系統(tǒng)的正常工作。
如果在電池箱內(nèi)由于電池性能一致性偏差引起某個(gè)電池性能變化很大,影響系統(tǒng)工作時(shí),電池管理系統(tǒng)應(yīng)指令均衡模塊啟動(dòng),進(jìn)行均衡,保證系統(tǒng)的正常工作。
電池管理系統(tǒng)要求具備故障診斷功能,能夠與車輛檢測(cè)儀器進(jìn)行通信等,診斷系統(tǒng)的故障,方便車輛的維修。最優(yōu)先的任務(wù)是安全管理,它必須檢測(cè)到任何關(guān)鍵的失效,并且使用替代功能,或者當(dāng)發(fā)生最壞的情況時(shí),關(guān)閉系統(tǒng)。
在電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)中,電池監(jiān)控主要是指被動(dòng)地檢測(cè)和評(píng)估電池狀態(tài),而電池管理則包括處理數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)電池將來的表現(xiàn),甚至主動(dòng)干預(yù),控制電池的充放電電流和電壓,控制充電條件,控制電池工作溫度等。而整車的能量管理則主要指在動(dòng)力系統(tǒng)中為滿足駕駛員期望工況而進(jìn)行的功率和能量的平衡。為了完成這些任務(wù),電池管理系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),算法設(shè)計(jì),硬件、軟件設(shè)計(jì),應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。目前應(yīng)用的BMS基本功能都能夠試驗(yàn)并滿足車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的要求,但在電池將來行為的預(yù)測(cè)、電池衰減情況的評(píng)估方面距離實(shí)際應(yīng)用還有較大差距,需要加大開發(fā)研究力度。
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