FCEV车用磷酸铁锂电池管理系统研究与设计

摘要

能源安全和气候变暖是人类社会在21世纪面临的两大挑战，各国政府正在加紧开发和推广新能源汽车特别是电动汽车，动力电池及其管理技术作为影响未来电动汽车发展和推广的关键技术之一，受到各国政府和汽车企业的关注和重视。磷酸铁锂动力电池作为近年来研制成功的新型锂离子二次电池，以其高能量，高功率密度，大电流充放电能力，极好的安全性，循环寿命长等优点有望成为未来车用动力电池市场的主力军。本文以燃料电池汽车(FCEV)作为应用环境，选用磷酸铁锂电池组作为应用对象，致力于电池管理系统(BMS)的设计及电池组动态均衡管理的研究。
　　 本文首先对磷酸铁锂动力电池进行了充放电性能实验和一致性分析，研究和提出了适合于燃料电池汽车磷酸铁锂电池组的管理策略，包括磷酸铁锂电池SOC估算策略、高压管理策略、系统运行低功耗管理策略、充放电保护策略、热管理策略等。
　　 接着，针对车用电池组普遍存在的不一致现象，对电池均衡管理做了重点分析和研究，提出了基于非能耗电感式均衡方法的改进型高效动态均衡方案，对其进行了详细的理论验证，并结合实际应用，给出了均衡电路中主要元器件的选型方法，同时对其具体控制策略进行了探讨。
　　 最后，根据燃料电池汽车的应用需要，提出了一种基于模块化的分布式检测控制管理方案。该方案的硬件系统主要由主控模块、电压-温度检测模块、总电压.电流检测模块、动态均衡模块构成，可通过增减电压-温度检测模块数量来满足不同电池串联数量和配置情况的需要；软件方面，结合前文提出的磷酸铁锂电池组管理策略和硬件结构，对电池管理系统的3层CAN网络通信、热管理、SOC估算、数据存储、故障处理策略、电压-温度检测、总电压-电流检测和动态均衡等核心问题进行了深入分析和模块化编程。其中，主控模块数据存储单元软件设计采用了优化的存储策略，大大节约了存储空间。
　　 本文设计的电池管理系统达到了对燃料电池汽车车用磷酸铁锂电池组进行监测和管理预期的各项参数指标，系统具有结构精练，可靠性高，可扩展性强，维护方便等优点，拟应用于“楚天3号”燃料电池电动轿车。