電動汽車采用電能替代化石燃料作為動力，是未來交通的唯一長遠解決方案。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的心臟，只有對其進行充分的了解，才能實現(xiàn)電動汽車的順利推廣。本文從國內(nèi)外電動汽車主要車載動力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進行了重點分析。
鋰離子電池組充電機充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴重損害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。
作為電動汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動力電動汽車中可以實現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預測電池的功率強度，便于對整個電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。
在純電動汽車中，BMS具有預測電池剩余電量、預測行駛里程和故障診斷等智能調節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動汽車發(fā)展的關鍵技術。
BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進行測量，然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進行控制，確保電池組處于最優(yōu)溫度范圍內(nèi)。
電池網(wǎng)安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結果進行判斷，當出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警并及時采取斷路等緊急保護措施。狀態(tài)估計模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。
目前主要是SOC估算，SOH估算技術尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實現(xiàn)BMS與車載設備和非車載設備之間的通信。
BMS的核心功能是SOC估計、均衡管理和熱管理，此外還具有其他功能比如充放電管理、預充電機充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關參數(shù)進行管理，設置電池的最佳充放電曲線，例如設置充電機充電電流、充電機充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負載在上電瞬間相當于短路，因此需要進行預充電機充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。
電池管理系統(tǒng)的核心功能
SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中最重要的參數(shù)之一。SOC估計是判斷電池過充過放的基礎，精確的估計可以最大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運行。
電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準確完成SOC估算有很大困難。
現(xiàn)有的SOC估算方法如下：
(1)安時計量法。安時計量法不考慮電池內(nèi)部結構、狀態(tài)等方面的變化，因而有結構簡單、操作方便的優(yōu)點，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時間的推移，SOC累計誤差將不斷加大，影響最終結果。該方法適合計量電動汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計量方法。
(2)開路電壓法。鋰離子電池開路電壓與SOC有近似線性關系，可用來判斷電池內(nèi)部的狀態(tài)。但因測量要求較為嚴格，需要電池靜置時間至少在1 h以上，不適合單獨使用于電動汽車內(nèi)電池的在線實時檢測。一般情況下，因開路電壓法在充電機充電初、末期估算值準確率較高，經(jīng)常將開路電壓法與安時計量法結合使用。
(3)卡爾曼濾波法。卡爾曼濾波法憑借出色的糾正誤差能力，特別適合于電流波動劇烈的混合動力電池，該估算法的缺點在于對系統(tǒng)處理速度的要求較高。
(4)神經(jīng)網(wǎng)絡法。神經(jīng)網(wǎng)絡具有分布并行處理、非線性映射和自適應學習等特性，因此可以用于模擬電池動態(tài)特性，估算SOC。但是此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡進行學習，且數(shù)據(jù)和訓練方法要求較高，否則會造成不可接受的誤差。 均衡管理
鋰電池廠商在生產(chǎn)電池過程中要經(jīng)過很多道工序，差異化會造成不一致的狀態(tài)。電池單體的差異主要表現(xiàn)在隨著時間推移和溫度變化，其內(nèi)阻和容量都會有差異。單體之間大的差異更容易引起過充或過放現(xiàn)象，造成電池損壞。實現(xiàn)電池均衡能夠最大限度地發(fā)揮動力電池的效用，延長電池使用壽命，增加安全性?，F(xiàn)階段國內(nèi)外主流均衡方法如下：
(1)電阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表，方法簡單，成本低，但是能量損耗比較大，效率較低，只適用于小電流充放電的系統(tǒng)中。
(2)開關電容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表，它彌補了電阻均衡的缺點。但它控制電路復雜，均衡速度較慢，用時較長，不適合大電流使用。
(3)變壓器均衡法。此方法是基于對稱多繞組變壓器結構的串聯(lián)電池組主動均衡控制方法。它的缺點是電路復雜、器件多，體積太龐大，不易于電池組的擴展。一般適用于大電流的充放電中。
(4)集中式均衡。該方法能迅速地使整個電池組為電池單體轉移能量，集中式均衡模塊的體積更小。但多個電池的均衡操作不能并行進行，而且需要大量線纜連接，不適用于電池數(shù)量較大的電池組。
熱量管理
溫度對電池各方面的性能都有影響。溫度場的不均勻性將加劇電池組的不一致性，故對其進行管理非常必要。熱管理的目的是通過加熱或者散熱措施將電池系統(tǒng)的溫度維持在一定的范圍內(nèi)，并且盡量保持電池組內(nèi)的溫度一致性。
溫度管理主要完成以下4項功能：
(1)快速加熱低電阻條件下的電池組；
(2)保證電池溫度場的均勻分布；
(3)電池溫度的準確測量和監(jiān)控；
(4)在電池組溫度過高時，有效地疏散熱量。
常用的冷卻方法有自然對流法、強迫空氣對流法、液體流法、相變材料法和熱管理法等，常用的加熱方法有電池內(nèi)部加熱法、加熱板法、加熱套法和熱泵法等。
