電動(dòng)汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測(cè)

摘要：電動(dòng)汽車蓄電池組的工作狀態(tài)主要指各電池在工作時(shí)的端電壓、工作電流和溫度5個(gè)參數(shù)的變化情況。對(duì)電池工作狀態(tài)的檢測(cè)通常有集中式檢測(cè)法和分布式檢測(cè)法，采用“部分”集中、 “整體”分布的思路，將電池分成若干分組，每個(gè)分組集中檢測(cè)，各分組分布檢測(cè)，同時(shí)，采用“橋電容”技術(shù)解決了蓄電池組單體端電壓檢測(cè)中存在的參考點(diǎn)選擇和被測(cè)電池與檢測(cè)設(shè)備隔離的問題，形成了一種具有完全隔離功能的集中／分布式檢測(cè)法。經(jīng)過試驗(yàn)，該檢測(cè)法電壓、電流和溫度采集功能正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；汽車工程；電池；集中／分布檢測(cè)

0 引言
蓄電池技術(shù)是下一代汽車――電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一。蓄電池是復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電池管理技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究，取得了許多成果。一般認(rèn)為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度、電壓、電流等)；電池荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)的準(zhǔn)確估計(jì)；不健康電池的早期診斷；對(duì)電池組安全運(yùn)行全面監(jiān)控，如防止電池的過充電和過放電等等。
由于電動(dòng)汽車蓄電池組通常是由幾十個(gè)(上百個(gè))單體電池組成，所以，每一個(gè)單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞，而且影響電池組的容量及剩余能量。實(shí)踐表明，在電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中，如不及時(shí)檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個(gè)電池組的高效安全運(yùn)行。
電池工作狀態(tài)的檢測(cè)由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)完成，而電池管理系統(tǒng)的其他功能(包括剩余能量的計(jì)算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)之上的，研究蓄電池組工作狀態(tài)檢測(cè)方法對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有非常重要的意義。

l BMS的基本結(jié)構(gòu)
湖南大學(xué)研發(fā)的電動(dòng)汽車(EV一3號(hào))采用的BMS結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該BMS由電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電池核電狀態(tài)、(SOC)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)成。傳感器、電池監(jiān)控系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)構(gòu)成底層系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)為上層系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過內(nèi)部CAN總線通信。

2 蓄電池組工作狀態(tài)檢測(cè)方法
電動(dòng)汽車蓄電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測(cè)比較容易，而端電壓的檢測(cè)則比較麻煩。若只檢測(cè)電池組的端電壓，方法很簡(jiǎn)單，只需在電池組的兩端接上檢測(cè)電路即可，但這樣做是不行的，因?yàn)殡m然可以得到總的工作電壓，但無(wú)法判斷具體單體電池的端電壓，而只要有一塊電池出問題就會(huì)影響整組電池的正常工作和性能；另外，對(duì)檢測(cè)電路精度要求高。一個(gè)單體電池端電壓的正常工作范圍比較小，比如12V鉛酸電池的終止電壓在10V左右，電壓變化范圍在2～3V之間，檢測(cè)電路只要10％的精度即可檢測(cè)出1V的變化量。若24塊12V鉛酸電池串聯(lián)，額定電壓是288V，放電終止電壓是240V，電壓的正常變化范圍是48V，如果一塊電池的端電壓降至9V，那么反映在總電壓上為285V，只變化了大約1％?？梢姡瑱z測(cè)電路的精度至少要達(dá)到1％以上才能檢測(cè)出幾伏電壓的變化。而整組電池檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)單體電池的緩慢變化，包括單體電池本身的老化和因單體電池一致性問題而帶來(lái)的積累效應(yīng)。整組檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)電池及電池組實(shí)際容量，無(wú)法篩選其中已老化的電池。
實(shí)用的方法是檢測(cè)每一個(gè)單體電池。但對(duì)于串聯(lián)形成的電池組，要自動(dòng)檢測(cè)每個(gè)單體電池的端電壓所遇到的主要問題是測(cè)量參考點(diǎn)的選擇以及檢測(cè)電路與被檢測(cè)電池組的電隔離問題。電位參考點(diǎn)的選擇不僅如上所述影響測(cè)量精度，還對(duì)測(cè)量電路的測(cè)量范圍提出了很高的要求。而被檢測(cè)電池組與檢測(cè)電路的隔離不僅涉及到系統(tǒng)的安全還影響檢測(cè)電路的復(fù)雜度和可實(shí)現(xiàn)性。目前采用的主要是分布檢測(cè)和集中檢測(cè)兩種方法。
1)分布檢測(cè)法
所謂分布式隔離檢測(cè)技術(shù)，就是將單體電池電壓及溫度的檢測(cè)模塊化、本地化，然后再通過一定的通訊手段將這些檢測(cè)模塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)集中起來(lái)，最后統(tǒng)一處理。這樣做的目的就是要解決集中檢測(cè)方法所存在的種種問題。原理圖見圖2。

其主要優(yōu)點(diǎn)是：
(1)連線簡(jiǎn)單，省去了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，性能可靠。
(2)測(cè)量精度較高，比較符合汽車電器CAN總線化的發(fā)展趨勢(shì)。
(3)分布式模塊解決了參考點(diǎn)問題，利用總線通信方式(采用光耦器件)解決了主控機(jī)與電池組的隔離問題。
但應(yīng)用分布式檢測(cè)技術(shù)還必須解決以下幾個(gè)問題：
(1)由于檢測(cè)模塊直接從被測(cè)電池上持續(xù)取電，不利于節(jié)能和安全。
(2)當(dāng)電池較多時(shí)，模塊數(shù)量也多，使得成本和復(fù)雜度提高，并且要求通信總線有較高的帶載能力。
從功能上看，檢測(cè)模塊主要由檢測(cè)子模塊和通信子模塊兩大部分組成。檢測(cè)子模塊要完成數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理任務(wù)，而通信子模塊則要溝通與主控電路的信息交流，接收主控電路的指令，上傳由檢測(cè)子模塊提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
因?yàn)槠囯娖鞯陌l(fā)展方向是采用CAN總線技術(shù)，所以，通信子模塊與主控電路之間應(yīng)該采用CAN總線連接。