汽车电池均衡管理技术分析与探究

通常纯电动汽车的动力电池是由若干单体电池组合而成,每一个单体电池荷电状态会存在一定程度的差异,而此差异会直接决定动力电池的使用性能,因此需要对动力电池进行均衡管理。其中锂离子动力电池的主要研究集中在电池单体技术、热管理技术以及能量管理技术等方面,因此BMS（电池管理系统）对动力电池均衡系统尤为重要。本文通过对电池均衡管理系统进行基本的介绍,并建立电池等效模型,为后续电池均衡模型的仿真提供理论参考,进而为电池均衡管理提供重要的研究价值。     

电动汽车的电池管理系统(下)

<正>(接上期)五.电池的均衡管理为什么需要电池均衡呢?首先一个串联的电池包,不管你怎么去筛选,总是会出现不均衡(电压差别、容量差别、内阻差别、充电和放电速度差别)现象。这样在实际使用过程中,每个单体电池的输出电量是不一样的。这里需要增加一个衡量电路,以提高电池包储电空间的利用率。在电池充放电时,出现的不均衡现象如图6所示。     

基于集成式均衡电路的电池包主动均衡仿真研究

对于电芯单体串并联成组使用的车用动力电池包,单体的均衡是影响电池包性能、寿命和安全的关键因素。文章讨论了集成式主动均衡电路架构及其实现方式,分析并建立了具有集成式主动均衡电路的电池包系统模型和方程,在该系统方程基础上设计了一种简便易行的线性分配电流主动均衡算法,并在MATLAB环境下进行了建模和仿真验证。仿真结果显示,该均衡电路和均衡算法能有效实现模组电压和电芯单体电压的均衡。     

电池管理系统的均衡设计

通过对电池管理系统中被动均衡和主动均衡的效果比较,阐明主动均衡可以大大减小电池组中单体电池一致性的差异,从而提高电池组的使用效率。     

锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究

针对混合动力汽车单体电池性能的不一致性造成的不利影响,设计了电池管理系统及其均衡模块.该系统采用单片机,对电池组参数进行实时精确采集并分析处理,再通过控制电路实现电池组的均衡充放电.试验结果表明,该系统不仅可使电池进行均衡充放电,而且能对电池的不一致性进行有效补偿,使各个电池都发挥出最优性能.     

基于老化仿真的电动汽车新型双源电池系统全生命周期成本研究

为了降低换电技术的实施难度和成本,提出一种采用"部分换电"思路的电动汽车新型双源电池系统。通过合适的控制策略,在保证动力平稳输出的情况下,调整电机功率以匹配主、副电池包的端电压,实现供电电池包的灵活切换。为探究双源电池系统的老化规律以及验证其在全生命周期成本上的优势,匹配"大主电池包+小副电池包"和"小主电池包+大副电池包"2种双源电池系统方案,设计具有代表性的城市、城郊和高速等行驶场景以及工作日、休息日的出行和充电方案;采用AutoLion-ST软件建立双源电池包和相同总容量的单个大电池包的电化学老化机理模型,嵌入到AVL/Cruise搭建整车仿真平台中进行联合仿真。研究结果表明:虽然所提出的双源电池系统相比单个大电池包在相同工况中的放电倍率和深度更大,导致老化速率略有加快,但由于双源电池系统中主、副电池包的利用率更高,其全寿命里程之和相比单个大电池包方案反而有17%以上的提升;结合电池梯次利用模型和近年来电池价格的统计结果对全生命周期成本进行计算,认为双源电池系统方案在保证换电运营商获得一定盈利空间的情况下,可以降低全生命周期总拥有成本。     

汽车动力电池系统防爆阀的选型与理论计算

电动汽车频繁发生的起火爆炸现象一般是由锂电池系统内部的热失控现象导致的,其危害较为严重,应当引起汽车电池制造商的高度重视。安装防爆阀是一项行之有效的抑制热失控和热扩散现象的被动防御措施。防爆阀的核心作用是在电池系统内部发生热失控后能快速地将电池包内部的有毒可燃气体排到外部环境中,降低电池包内部的压力,从而防止电池包爆破。文章重点介绍了2种常见防爆阀的结构、工作原理、性能差异对比、选型的理论计算和安装注意要点等内容,为汽车动力电池系统防爆阀的选型计算提供一种思路。     

基于CAN总线的分布式动力电池管理系统

根据所选用的单体镍氢电池的特点，以及荷电状态SOC均衡方法来确定电池包参数测量点的数量。针对测量点数数量多的情况，设计了一个基于CAN总线的分布式电池管理系统BMS，给出了系统及其各个组成单元的功能和结构，讨论了工作原理，通过实验确定镍氢电池包的最大充放电速率。     

基于SOC多模块变压器电池组主动均衡技术研究

针对纯电动汽车动力电池单体间以及电池模组间的均衡速率和均衡效率问题,设计电池单体串联和电池模组串联电路来研究电池单体间和电池模组间充放电时的均衡速率和均衡效率,电池单体间采用电感式和多模块变压器式的主动均衡方式,电池模组间采用多模块变压器主动均衡方式。在MATLAB/Simulink软件环境下分别搭建相应的仿真模型,以电池荷电状态（SOC）为均衡控制变量,采用“均值-差值”控制策略进行仿真实验。仿真结果表明,串联电池单体采用多模块变压器均衡时间是电感式均衡时间的3倍;电池组间均衡时底层单体电池SOC通过电感式均衡快速保持一致,顶层电池模组通过变压器同时充放电,使得电池组SOC保持一致。将单体均衡采用电感式,模组采用多模块变压器式均衡应用于车载多电池箱均衡中有助于提升均衡速率和均衡效率。     

基于瞬态均衡的混合动力电动汽车动力电池管理系统

在论述动力电池能量管理系统的必要性和基本构成之后,介绍了以Motorola推出的HCS12系列单片机和电池监测芯片DS2438为核心的电池监测系统及其软硬件设计,设计了以充电使能信号和充电强度信号为控制信号的智能均衡模块,这样构成了电池均衡管理系统.实践证明,该系统可以实现电池的瞬态均衡管理,效果良好.     

基于剩余充电电量的锂离子电池组容量快速估计方法

针对传统锂离子电池组容量确定方法存在的效率低、能耗高且只能离线应用等问题,提出一种基于电池剩余充电电量的锂离子电池组容量快速估计方法。首先,基于充电电压曲线一致性原理,以电池组内率先充电至充电截止电压的电池单体电压曲线为基准,通过电压曲线的平移缩放与线性插值计算出各单体电池的剩余充电电量与剩余充电时间,从而实现各单体电池的荷电状态(State of Charge, SOC)在线估计,在此基础上实现电池组容量的快速估计。其次,在电池单体模型的基础上建立电池组的仿真模型,并在全SOC区域上对模型参数进行分段辨识。通过所建立的仿真模型得到电池组的充放电曲线,并对电池组容量进行估计。最后,对4个单体串联而成的电池组进行充电试验。研究结果表明:仿真容量与估计容量误差为1.2%以内,验证了所提出的容量快速估计算法的有效性;利用所提方法估计出电池组容量与试验得到的电池组容量的误差为2.61%;该方法根据电池充电曲线的平移与缩放即可在线估计出电池组容量,可应用于新电池组容量的在线快速估计,能在保证3%估计误差的基础上将检测效率提高到传统方法的2倍以上。     

Implementation of discharging/charging current sensorless state-of-charge estimator reflecting cell-to-cell variations in lithium-ion series battery packs

This paper offers novel insights to the design and implementation of an innovative state-of-charge (SOC) estimator for the lithium-ion (Li-Ion) series battery pack. The most interesting feature of this approach is that it can utilize information from each filtered terminal voltage of the Li-Ion cells connected in series for SOC estimation of the battery pack. Without actual sensing each discharging/charging current (DCC) applied to the Li-Ion cells, it is possible to extract each DCC estimation from the corresponding filtered terminal voltages with an equivalent electrical circuit model (EECM) identification of all Li-Ion cells in the battery pack. There are two advantages to SOC estimation of the battery pack with this approach. First, the proposal can be implemented simply and effectively, reducing the computational steps required for SOC estimation. By reducing computational steps, the proposal is expected to be more cost-effective. Second, the approach guarantees an improved SOC performance, even if the battery pack results in inevitable cell-to-cell variation among Li-Ion cells. Accordingly, there are fewer differences to previously estimated DCCs among Li-Ion cells. Specifically, all values from the estimated DCCs are properly compensated for by simultaneous parameter modification according to each cell’s electrochemical characteristics. Experimental results clearly demonstrate that our DCC sensorless SOC estimator provides robust SOC performance for the battery pack. This approach considered an experimental battery pack (12S1P) connected in series using 2.6 Ah LiCoO2 cells produced by Samsung SDI.     

车用锂离子动力电池组散热特性数值研究

针对车用锂离子动力电池的散热问题,对电池组的结构进行优化设计。建立锂离子动力电池三维模型,利用Fluent进行数值仿真。通过对仿真结果的对比分析得出：电池间距的增大和减小分别使电池组的散热性能提高和降低,且其间距减小时,电池间温度差异明显;发现动力电池组入口风速升高,电池表面空气流速相对提高,电池组换热能力增强,但电池间流场的一致性变差、温差变大。     

车用动力电池包内部温湿耦合特性分析

汽车动力电池包内部的潮湿和凝露现象是温湿度耦合作用的结果，它直接影响电池性能、加剧电池失效且可能引发安全事故，但相关的研究工作还未得到足够关注，开展电池包内部温湿度耦合特性的分析工作尤为迫切。基于此，研究相应瞬态数值分析方法，求解电池包内部空间动态变化的温湿度分布情况。首先，分析电池包内部空间和外界环境的气体交换、热量传递过程，建立热湿传递的物理模型，并根据流体运动三大基本守恒定律以及温湿度耦合关系，建立对应的热湿传递数学模型；利用恒温恒湿箱和安装防水透气阀的电池包箱体进行热湿传递试验，验证外界环境动态变化的温湿度对电池包内部温湿度的影响以及电池包内部出现凝露和积水现象的条件；建立电池包及其内部空间的多物理场耦合三维模型，对电池包内外的热湿传递与温湿度耦合过程进行瞬态数值模拟，根据仿真计算结果与试验结果的对比验证模型的可靠性；采用真实气候环境数据定义模型中动态变化的电池包外部环境，从时间和空间分布的角度分析电池包内部温湿度的瞬态计算结果。研究结果表明：所提出的瞬态数值分析方法的可行性佳，得到了外界环境以及电池工作状态的动态变化对电池包内温湿分布、电池表面凝露时长的影响规律。     

Transient modeling and validation of lithium ion battery pack with air cooled thermal management system for electric vehicles

A transient numerical model of a lithium ion battery (LiB) pack with air cooled thermal management system is developed and validated for electric vehicle applications. In the battery model, the open circuit voltage and the internal resistance map based on experiments are used. The Butler-Volmer equation is directly considered for activation voltage loss estimation. The heat generation of cells and the heat transfer from cells are also calculated to estimate temperature distribution. Validations are conducted by comparison between experimental results at the cell level and the pack level. After validations, the effects of module arrangement in a battery pack are studied with different ambient temperature conditions. The configuration that more LiB cells are placed near the air flow inlet is more effective to reduce the temperature deviation between modules.     

某新能源汽车复合材料电池包轻量化设计

电池包是电动汽车的动力源,其中下箱体及模组安装板是电池包的主要承载部件,采用碳纤维复合材料代替原不锈钢材料对下箱体及模组安装板进行轻量化设计。上箱体兼顾到制造成本问题,使用原不锈钢材料。结果表明,采用碳纤维复合材料的电池包在满足力学性能的同时,相比于原不锈钢材料,电池包重量指标得到了较大的改善。     

电动汽车电池包热管理系统设计方法

电池包的热管理是电动汽车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的。文章介绍了电池组热管理系统的功能,电池组热管理系统设计的一般流程和采用的方法,分析了温度对电池组性能和寿命的影响。指出按照合理有序的步骤和方法设计,能更加有效地设计出合理的热管理系统,提高电池包的性能和寿命周期,并缩短设计周期,避免不必要的重复工作。