AIHUA電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng) 作者：吳珍樸 13329935381 （湖北省愛華智能設備有限責任公司籌備） 摘要：近幾年，磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰動力電池的生產技術已經成熟，由于汽車動力電池管理系統(tǒng)的研發(fā)嚴重滯后，目前已經成為制約電動汽車的發(fā)展瓶頸。我們在七年的動力電池的應用中，根據(jù)不斷積累的經驗，提出了AIHUA電動汽車電池管理系統(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、電池組可維護三個新理念。使鋰離子動力電池的應用，達到非常方便的程度，就像以前的鉛酸電池一樣方便。在設計中，我們盡量簡化電路、采用通用技術、通用原件，以節(jié)約成本，并使技術性能符合《鋰離子蓄電池總成通用要求》征求意見稿中的各項要求。關鍵字：電動汽車、鋰離子電池、管理系統(tǒng) 一、概述電動汽車電池管理系統(tǒng)的設計和使用，牽涉到鋰電池生產商、汽車制造商、鋰電池充電站、以及用戶等。其涉及面廣，技術復雜，可靠性要求高。鋰電池不同于其它電池，鋰電池對儲存、使用都有很高的要求，錯誤的操作會導致鋰電池早期失效，甚至造成起火爆炸。鋰電池動力系統(tǒng)又是動力汽車中最主要的部件，成本也非常高。以一個電壓200V容量100AH的普通轎車動力電池為例，成本在6-8萬之間。電動汽車電池管理系統(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)電源和動力電源相互隔離，提高使用、維護的安全性、靈活性。提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 AIHUA電動汽車電池管理系統(tǒng)有獨立的系統(tǒng)時鐘，為系統(tǒng)事件和系統(tǒng)參數(shù)提供時間坐標。AIHUA電動汽車電池管理系統(tǒng)分為單電池管理、電池總成管理、人機交互、充放電均衡、CAN通訊共五個部分。 圖一： AIHUA電動汽車電池管理系統(tǒng)總框圖一、難點分析與對策 動力電池為什么在電池單體測試時，各項參數(shù)都能達到企業(yè)標準，而集成為一個動力總成后，往往出現(xiàn)性能達不到設計要求的情況，甚至出現(xiàn)部分電池報廢的嚴重情況。主要問題有三個方面，分述如下。1、動力電池的質量問題 動力電池總成一般是由幾十甚至幾百個單體電池串并聯(lián)組成，往往一個單體電池出現(xiàn)問題，就會影響整個電池總成的性能，甚至造成整個電池總成無法使用。 圖2： 動力電池總成在電池組中，每個單體電池都是并聯(lián)的。在電池組內，如果某個單體電池內部或者外部出現(xiàn)短路的情況，這個電池組內的所有單體電池也都處于短路狀態(tài)，這是一個很危險的情況。事實證明這種情況確實存在，并成為動力電池最致命的質量問題。單體電池內部微短路和微量漏液，是分別造成單體電池內部和外部微短路的原因。而在開始時，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問題引起的。通過采用大量電池組，進行長期自然存放實驗，可以證明這兩個問題就是導致動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)問題后產生的質量問題。而引起微短路的原因比較多。比如潔凈度、粉塵、雜質、涂敷層脫落等等。解決的辦法首先是電池廠商強化工藝、增強質量意識，提高產品合格率；其次是適當延長成品電池的自然存放時間，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介紹。電池的使用壽命，一般用循環(huán)次數(shù)來標定。循環(huán)次數(shù)主要與正極材料有關，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，很多廠商都標到2000次、3000次，而磷酸亞鐵鋰正極材料供應商天津斯特蘭的出廠標準是1000次，所以現(xiàn)在很多電池廠商都標到1000次。這個指標顯然與《鋰離子蓄電池總成通用要求》有一定的差距。而比亞迪出廠標準是2000次。深圳雷天的電池的出廠標準，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)對動力汽車來講，應該是足夠了。在電池組總成中，最受關注的是所有電池組之間在容量和內阻上的差異。由于這些差異，使動力電池的應用出現(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。即使自動化程度很高的自動生產線，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力費時的工作，而這樣的配置工作在量產時幾乎是不可能的。解決的辦法，提高電池生產線的自動化程度；制定以容量為主的電池組配置方案；用自動電子控制電路，以及能量均衡電路彌補電池組之間的不均衡性。本文中的動態(tài)均衡電路對電池組充放電過程進行精確的動態(tài)配置，能達到非常好的均衡效果。1、鋰電池保護電路的技術問題鋰電池保護電路目前有數(shù)字和模擬兩種方式，鋰電池保護板是并聯(lián)在電池組兩端的，即使在放電回路斷開的情況下，鋰電池保護板仍然是接通的。也就是說，鋰電池保護板一旦接上，它就一直處于不間斷的工作狀態(tài)。它的工作電流雖然小，但工作時間長，一個月就有七千多小時，對電量的消耗也是非?？捎^的。一般鋰電池保護板的耗電量指標在50微安以下。但是有些鋰電池護板的電量消耗卻達到了毫安級，有的甚至達到一二十毫安。這對長期儲存的電池，或者是電池組的電量已經放完，又忘了及時充電的情況，會給電池組造成嚴重損害，甚至導致電池報廢。鋰電池保護電路的另一個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)熱嚴重。第二種是并聯(lián)充電法，這種方法均衡效果好，但充電設備復雜，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、鋰電池保護產品的質量問題鋰電池保護產品的質量問題，說到底是電子產品的質量問題，這個問題在國內很多專業(yè)電子生產商往往被忽視。有些廠商知道質量的重要性，卻因為技術人員沒有受過這方面的專業(yè)訓練，不知道該怎樣去控制質量。建議有關技術人員參考我國軍工方面的質量控制體系，也可參考美國和原蘇聯(lián)的軍工質量控制體系，這對我們的電子產品的質量提升會大有好處。在鋰電池保護電子產品中，有一個比較難的技術問題自今沒有得到完全解決，就是多串保護板測試儀。沒有測試儀，出廠的產品究竟合不合格是不可知的。多串保護板測試儀有三個主要問題，第一是原理上的問題，第二是連線太多，第三是測試時間長。即使是自動測試，64串測試下來，需要30秒，加上連線的時間，可能要幾分鐘。如果是手動測試，可能需要1個小時。自動測試儀，在質量控制方面有著很重要的位置。我們在這方面作了大量的研發(fā)工作，取得了很好的進展，將在今后的專題中再作詳細介紹。3、電池總成電量實時估算 電池總成在使用的過程中，還有多少電量，這是一個很重要的系統(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、安時計量法、內阻法、神經網絡和卡爾曼濾波法，等等。由于鋰電池的荷電狀態(tài)不僅跟端電壓有關，還跟放電電流、電池內阻、環(huán)境溫度等有關。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。當其中一組電池電量耗盡時，盡管其它電池組還有很充足的電量，但是電池總成已經不能工作了。所以電量估算，只能以其中電量最小的一組為準。這也是電池總成荷電量很難估算的重要原因。解決的辦法，是對電池總成中的每塊電池組都進行實時荷電量估算，在綜合放電電流、電池組內阻、動態(tài)電壓、環(huán)境溫度、放電曲線等相關參數(shù)進行修正，以保證荷電量估算的準確性。4、各廠商配合不協(xié)調 現(xiàn)在一個很重要的問題是，電池廠商、電子廠商、汽車廠商嚴重脫節(jié)。電動汽車電池管理系統(tǒng)不僅在國內，而且在世界上一直都是一個技術難題，不是一個廠商、也不是一兩個人能夠獨立完成的。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)，電子產品畢竟不是電池廠商、汽車廠商的強項，開發(fā)出來的產品即使能用，也會存在諸多問題。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)出來的產品只能做做實驗，根本不能量產。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，電子廠商可以跟進動力電池和動力汽車的研發(fā)，確定和調整研發(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的技術問題。比如電池廠商的設備改造，自動化升級，又比如汽車廠商的總體布線、汽車儀表升級等等。5、電池總成的維護 電池總成的維護一直都是一個難題。其一，電池組是經過精心配置的。其二，在幾十甚至幾百個電池中，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在目前狀態(tài)下幾乎是不可能的。一般有一個電池損壞，就會造成整個電池報廢。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，到哪去充電是一個很大的問題。這也是汽車生產商不敢量產的原因之一。建一個充電站，是一個很復雜的事情。如果給每個動力汽車配備一個充電器，這樣就方便多了。車主可以利用自己家里的220V交流電插座，或者是利用停車場提供的220V交流插座進行充電。這對于小轎車是完全做得到的。采用2KW功率，充電10個小時，可以保證小轎車行駛90公里左右。所以，動力汽車可以在小轎車中率先推行。一、AIHUA電動汽車電池管理系統(tǒng)簡要說明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)，第二組是動力供電系統(tǒng)，第三組是動力備份電池。動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) 動力電池組只跟動力電機供電，可以減少動力線的布線長度，對使用維護都有很大的好處。減少動力系統(tǒng)對電子設備的干擾。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，它負責監(jiān)測電池組的相關參數(shù)，并把這些參數(shù)，儲存到芯片中。在該電池組出現(xiàn)故障時，中心控制器會提示那一組出現(xiàn)了什么問題，并會記錄下日期和時間，由備份電池替換下故障電池。故障電池可以送維修點維修。維修點可根據(jù)自帶的液晶顯示屏，讀取相關數(shù)據(jù)，決定維修方案。如果故障電池組被及時發(fā)現(xiàn)，一般只需更換一個單體電池即可。 圖四： 電池組管理系統(tǒng)1、CAN通訊節(jié)點 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、當有一組以上電池組端電壓低于放電電壓的情況時，由該系統(tǒng)對電池組作預充電。在充電狀態(tài)時，當有一組以上電池組端電壓達到充電電壓時，停止原充電狀態(tài)，采用均衡系統(tǒng)對電池組作均衡充電，直至所有電池組端電壓達到充電電壓時為止。在放電狀態(tài)時，當有一組以上電池組端電壓，嚴重低于電池總成的平均電壓時，均衡系統(tǒng)對相關電池組作電能補充。對備份電池組進行實時充電。2、模擬與I/O通道和其它部分在此省略。二、結束語 本系統(tǒng)雖然經過多年的研發(fā)，但仍有亟待完善之處。特別需要和動力汽車生產廠商，以及動力汽車生產廠商共同進行探討和改進，進行樣品的設計和生產試驗、小批量生產試驗等等。希望對汽車生產廠商在研發(fā)動力汽車時有所幫助。 注釋：【1】 本文引用了，全國電源行業(yè)（鋰離子蓄電池系統(tǒng)）標準起草工作組、2009年8月4日發(fā)布的《鋰離子蓄電池系統(tǒng)（7項）基礎行業(yè)標準》（征求意見稿合定本），中的相關內容?！?】 本文引用了，田曉輝，刁海南，范波，邱云鵬編寫的《車用鋰離子動力電池SOC的預測研究》論文中的相關內容。