轻型电动车辆电池管理系统研究

摘要

近年来，随着国家政策对新能源汽车的扶持，研发的不断投入，电动汽车受到汽车生产商的广泛关注，投入研发的企业也越来越多。电动汽车具有低排放甚至零排放、能源利用效率高、噪音低及环境友好等优点。轻型(低速)电动车辆由于价格低、维护成本低、使用方便等特点，在我国已逐渐形成产业化。如何实现电池荷电状态(SOC，State of Charge)的有效估算、避免电池过充电和过放电、防止电池损坏、提高电池的工作性能、延长电池的使用寿命是其产业化过程中必须解决的关键技术。
　　 电池管理系统(BMS，Battery Management System)通过实时检测电池的电压、电流、温度等参数，辅以相应的算法及控制策略，实现上述功能。本文结合国家自然基金项目所研发的轻型电动车辆电池管理系统，其主要包括三个功能模块：电池保护模块、数据采集处理模块、电池均衡管理模块。为了实现电池管理系统，论文主要从以下几个方面开展研究：锂离子电池性能研究及保护系统实现；数据采集系统实现及SOC估算方法研究；电池均衡管理策略研究及仿真；电池均衡系统实现。
　　 分别以0.5C、1C、2C、3C不同充放电倍率对锂离子动力电池(以下简称“锂离子电池”)进行充放电实验，根据实验结果，得到锂离子电池在不同充放电倍率下性能参数的变化，为锂离子电池的保护和SOC估算提供基础。电池保护模块通过电池保护芯片及其外围电路来实现，当电池发生过压、欠压、过流及高温等极端条件时，保护模块可以切断供电电路，从而保护电池不受损坏。
　　 数据采集处理模块通过采集电池电压、电流、温度等外特性参数，确定电池容量及SOC与电池外特性参数之间的关系，继而开发出有效的SOC估算方法并实现SOC的估算；为方便对数据进行后续处理，开发了基于USB接口并支持多类型外部存储器的数据存储模块。
　　 电池均衡管理模块采用无损主动均衡方式，设计的开关管拓扑结构组成动态的电量转移环路，通过储能元件来实现电能在不同电池之间的转移，用电压高于平均电压的电池对电压低于平均电压的电池进行充电，这样可以同时均衡电压过高和过低的电池，从而实现电池组的动态均衡。
　　 最后，通过台架实验表明，本文研究的电池管理系统能实时采集与存储电池的电压、电流、温度等参数，并在触摸屏上显示，估算电池的SOC，均衡电池组中的单体电池电压，减少单体电池间电压的不一致性。