电动汽车电池组管理系统原理分析

电动汽车电池组管理系统原理分析

由于动力电池能量和端电压的限制，电动汽车需要采用多块电池进行串、并联组合，而动力电池特性的高度非线性，使得电池管理系统(BMS—Battery Management System)成为电动汽车的必备装置。BMS一般由传感器(用于测量电压、电流和温度等)、控制单元和输入输出接口组成。BMS最基本的功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的电池容量(SOC)和相应的剩余行驶里程，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命，BMS的主要任务以及相应的传感器输入和输出控制如表1所示。

由于电动汽车电池组中众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环境、接线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免，使用充电机直接为电池组进行整体充电，必然导致单个电池之间不一致性的加剧，出现个别电池的过电压充电。同样，单个电池间不一致性的存在也会导致电池组放电过程中的个别电池的过放电。在车上的布置分散、动力电池单体的使用环境不同，导致电池组单体问不一致性的积累和恶化，严重影响电池组的使用寿命，对电池组的均衡充电以及有效的热管理是BMS的主要功能。

动力电池组均衡充电具有三种方式：

①充电结束后实现单体电池问的自动均衡，工作原理如图2所示，当1号电池的端电压值高于2号电池的端电压值，且控制开关处于如图2(a)所示连接位置时，1号电池向电容器充电，使电容器两端电压与电池端电压相等。然后，控制开关动作，切换到如图2(b)所示连接位置，这时，电容器向2号电池充电，使2号电池的端电压增大趋向于电容器的端电压，待电容器的端电压与2号电池的端电压相平衡后，再控制开关动作，切换到如图2(a)所示连接位置，如此反复几次，1号电池的端电压值和2号电池的端电压值就达到了均衡。同样，当2号电池的端电压值高于1号电池的端电压值时，开关按如上所述反复动作几次后，也能使该两节电池的端电压达到平衡。

②充电过程中实现单体电池间的自动均衡，主要有三种方案，如图3所示，充电器均衡充电控制实现了对串联电池组中单个电池的并联充电或独立充电，在完全统一的充电模式和充电策略保证下，可以完全实现电池组的均衡充电，但系统组成比较复杂。

③采用辅助管理装置，对单个电池的电流进行调整。如图4所示，电池均衡充电过程可描述为：按照既定的充电模式和充电策略，根据实测的串联电池组总电压，充电器输出一定的充电电流，Icharge，当所有电池端电压均低于充电截止电压时，均衡管理模块不起作用；若有个别电池首先达到充电截止电压，此时该电池的均衡模块起作用，分流一部分电流i，则通过该电池的电流减为，Icharge-i，避免了对该电池的过电压充电；当所有电池的端电压均达到充电截止电压时，充电器转为恒电压充电，充电电流逐渐减小，通过电池均衡模块的电流也逐渐减小，直至所有电池均充满电。均衡模块是该均衡充电模式的关键部件，包括功耗型和能量回收型两类，功耗型对通过均衡模块的电流以热耗的方式散掉，能量回收型通过特殊的元件，比如陶瓷储能器，将通过均衡模块的电流反馈到充电主回路中。

由于动力电池的充放电特性在很大程度上取决于电池电解液的温度，所以BMS的另外一个重要作用是在电池的充放电过程中将电池组的温度保持在正常的工作温度变化范围内。冷却后或者加热后的空气进入到电池块之间的空隙中，然后从电池托盘底部的缝隙中吹出来，根据电池的温度控制风扇转速。