AIHUA電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng) 作者：吳珍樸 13329935381 （湖北省愛華智能設(shè)備有限責(zé)任公司籌備） 摘要：近幾年，磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰動(dòng)力電池的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，由于汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的研發(fā)嚴(yán)重滯后，目前已經(jīng)成為制約電動(dòng)汽車的發(fā)展瓶頸。我們?cè)谄吣甑膭?dòng)力電池的應(yīng)用中，根據(jù)不斷積累的經(jīng)驗(yàn)，提出了AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)的區(qū)別在于建立單電池組電子檔案、充放電均衡、電池組可維護(hù)三個(gè)新理念。使鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用，達(dá)到非常方便的程度，就像以前的鉛酸電池一樣方便。在設(shè)計(jì)中，我們盡量簡(jiǎn)化電路、采用通用技術(shù)、通用原件，以節(jié)約成本，并使技術(shù)性能符合《鋰離子蓄電池總成通用要求》征求意見稿中的各項(xiàng)要求。關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車、鋰離子電池、管理系統(tǒng) 一、概述電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用，牽涉到鋰電池生產(chǎn)商、汽車制造商、鋰電池充電站、以及用戶等。其涉及面廣，技術(shù)復(fù)雜，可靠性要求高。鋰電池不同于其它電池，鋰電池對(duì)儲(chǔ)存、使用都有很高的要求，錯(cuò)誤的操作會(huì)導(dǎo)致鋰電池早期失效，甚至造成起火爆炸。鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)又是動(dòng)力汽車中最主要的部件，成本也非常高。以一個(gè)電壓200V容量100AH的普通轎車動(dòng)力電池為例，成本在6-8萬之間。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)就是要保證電池正確、安全、有效的使用，保證在使用中保持最佳性能狀態(tài)。AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)采用多電源供電系統(tǒng)。系統(tǒng)電源和動(dòng)力電源相互隔離，提高使用、維護(hù)的安全性、靈活性。提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)有獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)鐘，為系統(tǒng)事件和系統(tǒng)參數(shù)提供時(shí)間坐標(biāo)。AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)分為單電池管理、電池總成管理、人機(jī)交互、充放電均衡、CAN通訊共五個(gè)部分。 圖一： AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)總框圖一、難點(diǎn)分析與對(duì)策 動(dòng)力電池為什么在電池單體測(cè)試時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)都能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而集成為一個(gè)動(dòng)力總成后，往往出現(xiàn)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況，甚至出現(xiàn)部分電池報(bào)廢的嚴(yán)重情況。主要問題有三個(gè)方面，分述如下。1、動(dòng)力電池的質(zhì)量問題 動(dòng)力電池總成一般是由幾十甚至幾百個(gè)單體電池串并聯(lián)組成，往往一個(gè)單體電池出現(xiàn)問題，就會(huì)影響整個(gè)電池總成的性能，甚至造成整個(gè)電池總成無法使用。 圖2： 動(dòng)力電池總成在電池組中，每個(gè)單體電池都是并聯(lián)的。在電池組內(nèi)，如果某個(gè)單體電池內(nèi)部或者外部出現(xiàn)短路的情況，這個(gè)電池組內(nèi)的所有單體電池也都處于短路狀態(tài)，這是一個(gè)很危險(xiǎn)的情況。事實(shí)證明這種情況確實(shí)存在，并成為動(dòng)力電池最致命的質(zhì)量問題。單體電池內(nèi)部微短路和微量漏液，是分別造成單體電池內(nèi)部和外部微短路的原因。而在開始時(shí)，短路電流是很微量的，一般在出廠和早期使用階段都很難發(fā)現(xiàn)。直到出現(xiàn)電池組早期失效，都很難想到是這兩個(gè)問題引起的。通過采用大量電池組，進(jìn)行長(zhǎng)期自然存放實(shí)驗(yàn)，可以證明這兩個(gè)問題就是導(dǎo)致動(dòng)力電池組早期失效的主要原因。需要說明的是，微短路跟電池的自放電是兩碼事。漏液主要是電解液灌注、封裝出現(xiàn)問題后產(chǎn)生的質(zhì)量問題。而引起微短路的原因比較多。比如潔凈度、粉塵、雜質(zhì)、涂敷層脫落等等。解決的辦法首先是電池廠商強(qiáng)化工藝、增強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，提高產(chǎn)品合格率；其次是適當(dāng)延長(zhǎng)成品電池的自然存放時(shí)間，并采用專用儀器把不合格電池篩選出來。專用儀器在以后的文章中在做相關(guān)介紹。電池的使用壽命，一般用循環(huán)次數(shù)來標(biāo)定。循環(huán)次數(shù)主要與正極材料有關(guān)，鈷鋰和錳鋰循環(huán)次數(shù)都在500次以上。磷酸亞鐵鋰開始時(shí)，很多廠商都標(biāo)到2000次、3000次，而磷酸亞鐵鋰正極材料供應(yīng)商天津斯特蘭的出廠標(biāo)準(zhǔn)是1000次，所以現(xiàn)在很多電池廠商都標(biāo)到1000次。這個(gè)指標(biāo)顯然與《鋰離子蓄電池總成通用要求》有一定的差距。而比亞迪出廠標(biāo)準(zhǔn)是2000次。深圳雷天的電池的出廠標(biāo)準(zhǔn)，DOD80%是3000次，DOD70%是5000次。深圳雷天的正極材料增加了微量稀土元素。一般來講，2000次的循環(huán)次數(shù)對(duì)動(dòng)力汽車來講，應(yīng)該是足夠了。在電池組總成中，最受關(guān)注的是所有電池組之間在容量和內(nèi)阻上的差異。由于這些差異，使動(dòng)力電池的應(yīng)用出現(xiàn)了很大的問題。單電池的這種差異，是由加工工藝所決定的。即使自動(dòng)化程度很高的自動(dòng)生產(chǎn)線，也不可能做到單體電池的性能完全一致。很多電池廠商在電池配置方面作了大量工作，由于一個(gè)電池總成使用的單體電池的數(shù)量太大，電池的配置工作是一件費(fèi)力費(fèi)時(shí)的工作，而這樣的配置工作在量產(chǎn)時(shí)幾乎是不可能的。解決的辦法，提高電池生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度；制定以容量為主的電池組配置方案；用自動(dòng)電子控制電路，以及能量均衡電路彌補(bǔ)電池組之間的不均衡性。本文中的動(dòng)態(tài)均衡電路對(duì)電池組充放電過程進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)配置，能達(dá)到非常好的均衡效果。1、鋰電池保護(hù)電路的技術(shù)問題鋰電池保護(hù)電路目前有數(shù)字和模擬兩種方式，鋰電池保護(hù)板是并聯(lián)在電池組兩端的，即使在放電回路斷開的情況下，鋰電池保護(hù)板仍然是接通的。也就是說，鋰電池保護(hù)板一旦接上，它就一直處于不間斷的工作狀態(tài)。它的工作電流雖然小，但工作時(shí)間長(zhǎng)，一個(gè)月就有七千多小時(shí)，對(duì)電量的消耗也是非?？捎^的。一般鋰電池保護(hù)板的耗電量指標(biāo)在50微安以下。但是有些鋰電池護(hù)板的電量消耗卻達(dá)到了毫安級(jí)，有的甚至達(dá)到一二十毫安。這對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的電池，或者是電池組的電量已經(jīng)放完，又忘了及時(shí)充電的情況，會(huì)給電池組造成嚴(yán)重?fù)p害，甚至導(dǎo)致電池報(bào)廢。鋰電池保護(hù)電路的另一個(gè)問題是充電均衡問題，由于電池組性能存在差異，各電池組充滿的時(shí)間是不一樣的，均衡電路就是讓充滿的不再充電，讓沒有充滿的繼續(xù)充電。目前普遍采用的有兩種方法。第一種是電阻分流法，這種方法通常用在串聯(lián)充電的情況，但均衡效果差，功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。第二種是并聯(lián)充電法，這種方法均衡效果好，但充電設(shè)備復(fù)雜，連線多，成本高。采用本文提到的均衡電路能夠很好的解決這一問題。2、鋰電池保護(hù)產(chǎn)品的質(zhì)量問題鋰電池保護(hù)產(chǎn)品的質(zhì)量問題，說到底是電子產(chǎn)品的質(zhì)量問題，這個(gè)問題在國(guó)內(nèi)很多專業(yè)電子生產(chǎn)商往往被忽視。有些廠商知道質(zhì)量的重要性，卻因?yàn)榧夹g(shù)人員沒有受過這方面的專業(yè)訓(xùn)練，不知道該怎樣去控制質(zhì)量。建議有關(guān)技術(shù)人員參考我國(guó)軍工方面的質(zhì)量控制體系，也可參考美國(guó)和原蘇聯(lián)的軍工質(zhì)量控制體系，這對(duì)我們的電子產(chǎn)品的質(zhì)量提升會(huì)大有好處。在鋰電池保護(hù)電子產(chǎn)品中，有一個(gè)比較難的技術(shù)問題自今沒有得到完全解決，就是多串保護(hù)板測(cè)試儀。沒有測(cè)試儀，出廠的產(chǎn)品究竟合不合格是不可知的。多串保護(hù)板測(cè)試儀有三個(gè)主要問題，第一是原理上的問題，第二是連線太多，第三是測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)。即使是自動(dòng)測(cè)試，64串測(cè)試下來，需要30秒，加上連線的時(shí)間，可能要幾分鐘。如果是手動(dòng)測(cè)試，可能需要1個(gè)小時(shí)。自動(dòng)測(cè)試儀，在質(zhì)量控制方面有著很重要的位置。我們?cè)谶@方面作了大量的研發(fā)工作，取得了很好的進(jìn)展，將在今后的專題中再作詳細(xì)介紹。3、電池總成電量實(shí)時(shí)估算 電池總成在使用的過程中，還有多少電量，這是一個(gè)很重要的系統(tǒng)參數(shù)，就像普通汽車還有多少汽油一樣。目前的電量估算方法，一般有開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法，等等。由于鋰電池的荷電狀態(tài)不僅跟端電壓有關(guān)，還跟放電電流、電池內(nèi)阻、環(huán)境溫度等有關(guān)。所以荷電量的估算非常困難。而且，電池總成是由很多電池組串聯(lián)起來的，本例是64組串聯(lián)起來的。當(dāng)其中一組電池電量耗盡時(shí)，盡管其它電池組還有很充足的電量，但是電池總成已經(jīng)不能工作了。所以電量估算，只能以其中電量最小的一組為準(zhǔn)。這也是電池總成荷電量很難估算的重要原因。解決的辦法，是對(duì)電池總成中的每塊電池組都進(jìn)行實(shí)時(shí)荷電量估算，在綜合放電電流、電池組內(nèi)阻、動(dòng)態(tài)電壓、環(huán)境溫度、放電曲線等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，以保證荷電量估算的準(zhǔn)確性。4、各廠商配合不協(xié)調(diào) 現(xiàn)在一個(gè)很重要的問題是，電池廠商、電子廠商、汽車廠商嚴(yán)重脫節(jié)。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)不僅在國(guó)內(nèi)，而且在世界上一直都是一個(gè)技術(shù)難題，不是一個(gè)廠商、也不是一兩個(gè)人能夠獨(dú)立完成的。但是有很多電池廠商、電子廠商、汽車廠商都在各自研究開發(fā)自己的鋰電池管理系統(tǒng)，電子產(chǎn)品畢竟不是電池廠商、汽車廠商的強(qiáng)項(xiàng)，開發(fā)出來的產(chǎn)品即使能用，也會(huì)存在諸多問題。而電子廠商由于得不到電池廠商和汽車廠商的支持，也只能是閉門造車，研發(fā)出來的產(chǎn)品只能做做實(shí)驗(yàn)，根本不能量產(chǎn)。最好的辦法是這三家協(xié)同研發(fā)，即以電子廠商為主，電池廠商和汽車廠商協(xié)同。這樣，電子廠商可以跟進(jìn)動(dòng)力電池和動(dòng)力汽車的研發(fā)，確定和調(diào)整研發(fā)方向，并協(xié)同電池廠商和汽車廠商解決一些和電子有關(guān)的技術(shù)問題。比如電池廠商的設(shè)備改造，自動(dòng)化升級(jí)，又比如汽車廠商的總體布線、汽車儀表升級(jí)等等。5、電池總成的維護(hù) 電池總成的維護(hù)一直都是一個(gè)難題。其一，電池組是經(jīng)過精心配置的。其二，在幾十甚至幾百個(gè)電池中，要找出損壞的電池也是一件非常不容易的事。所以電池總成的維護(hù)在目前狀態(tài)下幾乎是不可能的。一般有一個(gè)電池?fù)p壞，就會(huì)造成整個(gè)電池報(bào)廢。解決的辦法是增加電池組管理系統(tǒng)和充放電均衡系統(tǒng)，其原理在下面的簡(jiǎn)要說明中再作介紹。6、充電 首先，目前充電站還不配套，買了汽車，到哪去充電是一個(gè)很大的問題。這也是汽車生產(chǎn)商不敢量產(chǎn)的原因之一。建一個(gè)充電站，是一個(gè)很復(fù)雜的事情。如果給每個(gè)動(dòng)力汽車配備一個(gè)充電器，這樣就方便多了。車主可以利用自己家里的220V交流電插座，或者是利用停車場(chǎng)提供的220V交流插座進(jìn)行充電。這對(duì)于小轎車是完全做得到的。采用2KW功率，充電10個(gè)小時(shí)，可以保證小轎車行駛90公里左右。所以，動(dòng)力汽車可以在小轎車中率先推行。一、AIHUA電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)簡(jiǎn)要說明1、供電系統(tǒng)系統(tǒng)中有三組供電系統(tǒng)。第一組是儀表供電系統(tǒng)，第二組是動(dòng)力供電系統(tǒng)，第三組是動(dòng)力備份電池。動(dòng)力備份池由于考慮到成本因數(shù)，一般只有一到二組。 圖三： 供電系統(tǒng) 動(dòng)力電池組只跟動(dòng)力電機(jī)供電，可以減少動(dòng)力線的布線長(zhǎng)度，對(duì)使用維護(hù)都有很大的好處。減少動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電子設(shè)備的干擾。1、電池組管理系統(tǒng)電池組管理系統(tǒng)跟電池組組裝在一起，它負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池組的相關(guān)參數(shù)，并把這些參數(shù)，儲(chǔ)存到芯片中。在該電池組出現(xiàn)故障時(shí)，中心控制器會(huì)提示那一組出現(xiàn)了什么問題，并會(huì)記錄下日期和時(shí)間，由備份電池替換下故障電池。故障電池可以送維修點(diǎn)維修。維修點(diǎn)可根據(jù)自帶的液晶顯示屏，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，決定維修方案。如果故障電池組被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般只需更換一個(gè)單體電池即可。 圖四： 電池組管理系統(tǒng)1、CAN通訊節(jié)點(diǎn) 圖五： CAN通訊框圖 1、充放電均衡系統(tǒng)充放電均衡系統(tǒng)的主要功能有：在充電狀態(tài)開始時(shí)、當(dāng)有一組以上電池組端電壓低于放電電壓的情況時(shí)，由該系統(tǒng)對(duì)電池組作預(yù)充電。在充電狀態(tài)時(shí)，當(dāng)有一組以上電池組端電壓達(dá)到充電電壓時(shí)，停止原充電狀態(tài)，采用均衡系統(tǒng)對(duì)電池組作均衡充電，直至所有電池組端電壓達(dá)到充電電壓時(shí)為止。在放電狀態(tài)時(shí)，當(dāng)有一組以上電池組端電壓，嚴(yán)重低于電池總成的平均電壓時(shí)，均衡系統(tǒng)對(duì)相關(guān)電池組作電能補(bǔ)充。對(duì)備份電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)充電。2、模擬與I/O通道和其它部分在此省略。二、結(jié)束語 本系統(tǒng)雖然經(jīng)過多年的研發(fā)，但仍有亟待完善之處。特別需要和動(dòng)力汽車生產(chǎn)廠商，以及動(dòng)力汽車生產(chǎn)廠商共同進(jìn)行探討和改進(jìn)，進(jìn)行樣品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)試驗(yàn)、小批量生產(chǎn)試驗(yàn)等等。希望對(duì)汽車生產(chǎn)廠商在研發(fā)動(dòng)力汽車時(shí)有所幫助。 注釋：【1】 本文引用了，全國(guó)電源行業(yè)（鋰離子蓄電池系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)起草工作組、2009年8月4日發(fā)布的《鋰離子蓄電池系統(tǒng)（7項(xiàng)）基礎(chǔ)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿合定本），中的相關(guān)內(nèi)容?！?】 本文引用了，田曉輝，刁海南，范波，邱云鵬編寫的《車用鋰離子動(dòng)力電池SOC的預(yù)測(cè)研究》論文中的相關(guān)內(nèi)容。