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浅谈“电动汽车中的电池能量管理系统”

 浅谈“电动汽车中的电池能量管理系统”

国家电动汽车试验示范区管理中心
(汕头  515065)
摘要:本文侧重于讨论电动汽车用电池能量管理系统在电动汽车运行,充放电过程中的重要作用,能量管理系统具备的功能及应用电池管理系统,电池模块和电池箱应具备的条件。
关键词:电动汽车  动力电池  能量管理、管理条件
 
一、前 言
 
  电动汽车的应用有效地解决了能源和环境可持续发展的问题。电动汽车的应用前景广阔。但电动汽车尤其纯电动汽车的应用遇到了动力电池的难题,电池的问题体现在两个方面。其一是动力电池比能量不高,影响电动汽车续驶里程的要求,价格太高直接影响电动汽车的初始成本;其二是电池的性能差,使用寿命低影响电动汽车的使用成本。
电动汽车用的电池使用中其性能发挥得如何,除与电池模块自身性能有关外,与其应用的电池能量管理系统的功能有着密切的关系,尤其是电池模块质量不太理想的条件下,应用功能完备的电池能量管理系统其作用就更加突出。借助电池能量管理系统的正常工作会使电池模块的性能得以充分发挥,减少电池模块故障,延长电池模块的使用寿命,增加电动汽车的使用安全感。因此,电动汽车电池能量管理系统的应用备受电动汽车设计者和使用者的重视。
 
二、电动汽车电池能量管理系统的功能
 
  电动汽车,尤其是纯电动汽车中的电池能量管理系统是该车的一种相当重要的技术措施,可以称为电动汽车电池的“保护神”,它起到了对电池性能的保护、防止个别电池的早期损坏、有利于电动汽车的运行,并具有各种警告功能等[1]。由于它参加电池箱内电池模块的监控工作使电动汽车的运行、充电等功能与电池的有关参数(电流、电压、内阻、容量)紧密相连和协调工作。它有计算,发出指令、执行指令和提出警告的功能。各种电池模块虽然有结构和性能上的差异,但它们都具备一些相同或相似的功能。典型的电池能量管理系统应具备如下功能:
 
2.1  对能量的检测功能
 
  电动汽车在行车过程中,该系统能随时对车辆的能耗进行计算,最终给出该电池箱内电池模块剩余的电池能量值,并通过剩余能量计将数据显示出来,使驾驶人员知道车辆的续驶里程,以便决定如何行驶.在能量允许的条件下使车辆行驶到具有充电功能的地方,补充电量防止半路抛锚。
 
2.2  对电池工作状态的监测与控制功能
 
  电池能量管理系统按电池箱内安装的传感器提供的信号对电池进行管理。一般情况下,电池箱内有温度传感器及电压、电流和内阻的测量值。由于温度的变化对其他参数都有影响,所以一般都以电池模块的温度来做为控制的指令信号,将测得的温度值与事先设定的温度值进行比较,决定对电池冷却与否。
  电动汽车能源是很宝贵的,应尽量采用节能元件,所以电池箱内的冷却风扇一般都是采用分级参与工作。这样能做到在保证电池性能的条件下尽量使用小排量的风扇。当第一级风扇工作后尚不能达到要求的温度时,第二级冷却风扇才参与工作,加强冷却。此时电池箱内的温度如果还不能达到要求的工作条件,温度继续升高已达到影响电池模块的正常工作条件,为保护电池模块不受损坏,能量管理系统会发出停止电池模块供电的指令,强行车辆停驶。当电池在充电状态下,能量管理系统会强令充电机停止充电而不损坏电池,由维修人员进行检测排除故障。
 
2.3  保证充电功能
 
  电池能量管理系统随时参与整车检测工作,检测电池的工作状态,尤其对每只电池的技术状态进行检测分析,将检测的数据在车辆停驶,充电之前“通知”充电机,即“车与机”的对话。告诉充电机,电池组的工作状态及每只电池的技术状态,“落后”电池和“先进”电池性能差异。此时充电机应当采用什么样的充电模式给电池充电,才能达到给电池充足,性能好的电池不能过充,而性能差的电池又能充足,保证整车能量的供应。在放电过程中保证性能差的电池不能过放,这一点应当是电池能量管理系统最重要的功能之一。
 
2.4  DC—DC、DC—AC转换功能
 
  如果车辆安装辅助电池,电池能量管理系统应能控制动力电池随时给辅助电池模块充电,保证辅助电池模块的供电功能即DC—DC的转换功能,保证低压系统的正常工作。
当应用异步电机时,电池能量管理系统尚有DC—AC的转换功能保证电动汽车的正常运行。
 
2.5  解决性能一致性的保护功能
 
  如果在电池箱的线路内装置了由于电池性能一致性偏差引起某个电池性能变化很大,达到影响系统工作,或该电池受到损坏威胁时,两个电池之间有旁通线路并有控制模块时,电池管理系统应指令模块功能启动,进行补偿,又能保证系统在偏低电压状态下维持工作以便维修。
 
2.6  对电池模块的冷却和排除充电时产生的氢气
 
  电池箱内的冷却风扇有两种功能,其一是电池模块的冷却,尤其是充电过程中参与工作的必要性,其二是将电池模块充电过程中排出的氢气排除电池箱外,防止氢气聚集引起爆炸的可能性。
 
2.7  监测记录控制功能
 
  在电池工作状态下(充、放电)对电池模块的工作性能、安全性能进行监测,并对有关参数做记录,内存或进行提示、警告或指令停车、停机(充电),即对过压、过流、欠压、绝缘等提出警示、警告与控制功能。
 
三、使用电池能量管理系统必备的条件
 
  电池能量管理系统是对电池箱内电池模块的工作进行管理,我们认为电池能量管理系统并非一种专用仪表而是一个系统,也不是什么样的电池箱都能应用电池能量管理系统,它应具备一定的条件才能发挥其功能,否则会带来不可预见的后果。
 
3.1  电池模块方面的要求
 
3.1.1  电池模块应具备足够的使用寿命、可靠性和工作的稳定性
 
  大家都知道汽车是一种设计很紧凑的机-电—体化的产品。电动汽车的紧凑性更加突出、电动汽车给安装电池箱留有的空间有限,有时会造成接近性很差,加上电池质量很大,拆-卸很不方便,不能随时进行拆卸。所以要求应用的电池具有极好的使用寿命和可靠性,使其减少维护的频次、减少拆卸电池的次数给安装电池能量管理系统创造条件。
电池能量管理系统一个重要的功能是对剩余能量的计算,如应用的电池性能不稳定、可靠性很差,电池模块在工作中的性能难于进行SOC的估算,另外各种变化条件(温度、湿度、放电条件等)对电池模块的影响都造成对SOC影响,所以从剩余能量估算角度分析要求电池模块的性能要稳定。
 
3.1.2  电池应当是免维护电池
 
  电池应当是免维护的或维护周期长的少维护电池。否则的话在电动汽车上不能应用。原因除第一点谈到的以外,如果应用于开口电池除加液费时,工作量大以外,工作时电解液的外溢、外渗对周围环境污染严重,影响环境,有时会破坏电动汽车整车的电绝缘限值,影响车辆的使用寿命和使用安全。
 
3.1.3  电池充电后期排出的气体应能得到控制
 
  电池充电后期排出的气体(以氢为主)应能得到控制并能集中处理以保证工作安全。各种电池排出的气体在电池箱内是一种不安全的因素,不能集存,必须排除。一般有两种处理办法:
(1)是将每只电池的排气系统串联起来,集中排除电池箱外而扩散至安全处;
(2)是在箱内用强制的气流加以驱赶排除电池箱外。
 
3.1.4  电池性能的一致性达到控制要求
 
  电池能量管理的控制参数是由电池箱参与工作的电池模块采样的,而控制参数并非每个电池都要采样,否则参数量很大,不便管理,难于安装。一般都在电池箱内不同区域里采取最有代表性的电池模块,某些性能参数(比如温度)作为控制参数,在经过计算对比后发布控制执行指令,执行各种控制功能,所以说被选择采样电池模块的性能参数量值上应能代表其他没被采样电池模块的性能,否则的话,它就失去代表的意义。这时发出的指令不具备合理性,达不到对电池箱内电池模块的能量管理的目的。比如电池箱中电池模块间的性能差异较大,每个电池模块都不具备代表整箱电池模块性能就难以取得可信的控制参数。所以说,用于电池能量管理的电池模块其性能间的差异,即电池模块的间性能一致性差异必须在一定的范围之内,这样用哪一个电池模块作为采样电池都具备条件,都具有代表性。
 
3.2  电池模块用的电池箱
 
3.2.1  电池箱的要求
 
  为达到对电池进行能量管理的目的,电池模块必须装在一个箱内,该箱应具备一定条件:
(1)电池箱必须是密封的。除必需的通风孔外均不能与大气相通。密封箱内的要求主要考虑电池冷却气流的流动问题,不许在某处泄漏,避免冷却气流的流动性差造成电池模块工作温度的不一致,从而导致性能的一致性进一步的恶化。
(2)电池箱形状应达到与电池模块布置形状相适应。当冷却系统工作时,冷却风扇提供的冷却气流能均匀地流过每个电池模块周围,箱内不能形成气流的“死区”和涡流的存在,保证电池模块工作过程中温度均匀、性能一致,防止个别电池模块早期损坏。
(3)电池箱应做到内部与电池的绝缘,外部与车身的绝缘,防止电池与车身绝缘电阻低下而影响系统工作,发生不安全事故。
(4)在电池模块安装条件下尽量减少电池模块自行放电的条件。
 
3.2.2  冷却风扇空气进口的选择
 
  电池能量管理系统,无论在充电或放电过程中它都存在工作的可能性,即它应具备全天候工作的条件。所以电池能量管理系统冷却空气进口的选择就十分重要。它要保证进入电池箱内的空气是清洁的即要求防尘和防雨水进入电池箱内。如果防尘和防雨措施做得不好,会有灰尘脏物和雨水进入电池箱内,这样会造成电池模块间的爬电,自放电量的增加,电池箱与车身绝缘阻值的下降,严重时会造成电池模块的短路,这是很危险的。此时管理系统会发出指令,停止车辆行驶或停止充电,而影响车辆的运行。实际应用也说明了这一点能量管理系统冷却空气进口位置的选择十分重要,具体选在何处应由汽车设计者根据整车的总布置来决定。
 
3.2.3  排气口的选择
 
  电池箱排气口的选择十分重要,排气口位置的选择正常与否会影响电池箱内冷却风扇的工作性能,选择得正确会有助于冷却风扇的工作。如何利用汽车前进时在电池箱某部造成的,负压区,加速电池箱内气体的排除也是值得考虑的一个问题。
 
3.2.4  电池冷却空气的提供方式(吸风或排风)的选择
 
  电动汽车动力电池的冷却一般采用风冷的形式较多,其他冷却方式由于结构复杂或成本高应用的较少。所以此处着重讨论风冷方式的冷却空气如何提供的问题,即采用吸风式还是排风式为宜。关于选用哪种供风方式,要与电池结构联系起来分析。
(1)排风式:电动汽车电池箱内对电池进行冷却的气体提供方式以排气的方式占绝大多数,这是因为电池在充电过程中要排出一定量的气体(多数为氢气),这些气体要与进入电池箱内的冷却气体混合排除到箱外。上面已谈过这种气体的处理方式有两种,即集中引出箱外或由冷却空气带出箱外。如果为后者,必须采用排气的方式,否则的话这种易燃气体通过电风扇的搅动后流出箱外很危险,此时应当采用防爆电机来推动冷却风扇,即使采用防爆电机也不应当应用这种供气方式以防不测。
(2)吸风方式:上面提到如果电池内的排除气体由管路集中引出箱外,且管路间的密封可靠从布置上考虑可以用吸风式对电池箱提供冷却空气。如果总布置允许用排气方式从安全考虑最好采用排风方式为好。
 
3.2.5  充电条件下对电池模块的冷却
 
  电动汽车尤其是纯电动汽车的电能补充都是在汽车停驶时依赖外源进行充电。从蓄电池的工作状态来分析其放热量最大的时候是充电状态下而不是放电状态下,充电时往往要求对电池模块加强冷却,这时一般都是汽车停驶状态。汽车停驶时一般汽车仪表用辅助电源均处于停电状态下,而此时的电池管理系统须供电使其具有指令的功能,保证电池模块的冷却条件,有的电动汽车忽略这一点,在停车时辅助电源由钥匙开关控制,全部停止供电是不行的,电池管理系统的电源应当处于常闭状态,电动汽车停驶时也应有电源供应,保证管理系统的正常工作。
 
参 考 文 献
[1] TOYOTA RAV4 EV  REPAIR MANUAL  1998;
 
 
 
 
The discussion of EV battery energy management system
Administration Center of China EV Test and Demonstration Zone
(Shantou  515065)
 
Abstract: This paper discussed the important effect of EV battery energy management system used in battery charge and discharge during EV running. The function of energy management system and the required using conditions of battery management system, battery module and battery box are also discussed.
Key words: electric vehicle, dynamical battery, energy management, management condition
 
 
 
 

发布时间: 2005/8/10
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