1、纯电动汽车动力电池安全管理系统设计纯电动汽车动力电池安全管理系统设计摘要在社会文明的不断推进中，汽车行业的发展日新月异，而作为新时代的电动汽车则是解决未来能源问题的关键，还有现阶段，电动汽车的使用量与日俱增，其中的问题也是层出不穷。因此缓解甚至解决动力汽车的难题显得愈发重要，电动汽车中最重要的零部件为电池组，它是电动汽车的核心部件。因此动力汽车中的电池管理系统是汽车整个系统中的核心部分，它对汽车的安全、稳定、耐用性、起着掌控作用。所以在此种情况下，笔者选取纯电动汽车的电池安全管理系统为研究对象，进行一系列的探讨和设计。（1）对动力电池如锂电池的性能进行比较，并对其多次进行脉冲充电的实验以研究其
2、电池特性。 （2）对高压电系统以及动力电池的故障特点进行分析研究，了解其故障级别。（3）设计与汽车电池安全管理有关的应用软件，针对系统中不同部位的功能进行研究后，使用密集和分散的结构设计系统，采用主控芯片为主导以控制各个部位的功能，并建立电池组信息采集、充放电管理、故障检测及保护等职能。关键词： 动力电池管理系统；电池故障分析；电池特性分析；纯电动汽车第一章：绪论1.1课题背景及意义1.1.1研究的背景随着科学技术的不断发展，汽车的制造业也从传统的手工生产发展到机械化生产直至现在的智能化生产，技术已趋于完善和成熟。在经济的高速发展下，人们的生活水平日益提高，购买私家汽车已不再是遥不可及的梦想。
3、现在越来越多的私家汽车步入了人们的日常生活中，给居民出行带来了极大的方便。汽车制造业为最能反映一个国家工业水平的产品，它需要能源、冶金、化工、钢铁、机械制造等多种重工业协同生产完成的。现阶段，电动汽车的出现，成为了新能源汽车的一个典型代表，然而其存在造价过高、续航能力不足、动力较差、使用寿命不长等诸多弊端。而影响这些因素的关键原因与电源有直接关系。因此，电源的制造技术是限制电动汽车发展的关键因素。电源生产技术主要包含两方面：一是动力电池技术；二是电池管理技术。两者相辅相成。3由于目前的动力电池在能量密度、一致性、安全性等方面还未完全尽如人意，由此可见，该系统是发展电动汽车技术的一个重要环节。它
4、的作用在于电池性能在某种条件的情况下，尽可能提高电源的利用率及可靠性，实现储能高能化。4电池组中的单体电池由于个体差异（如电池生产过程产生的差异，使用过程中的差异等）会导致电池组一致性的差异，这些差异性集中表现为由于充放电时间过长产生的过冲、过放等现象；当电池的充电放电次数不断增长后，会使电池的极化效应增强、电解液电导率下降和电池内部隔膜损坏而导致电池内部短路，这是引起锂电池在充放电次数不断增加后，导致电池容量减少的根本原因。5所以发展动力电池的安全管理系统，是电动汽车走向市场前未来发展的必然方向。该系统能够合理的分配电池电量，对电池起到保护作用，同时保证电池内部电能得到合理使用，并为驾驶人员
5、提供可靠的电池不断变化参数显示，是延长电动汽车续航里程的重要组成部分。所以，BMS系统开发和研究在未来电动汽车发展过程中前景广大。3 对于电动汽车来说，动力电池系统为它的关键部位，其中动力电池系统是由单个锂电池和电池管理系统（BMS）组成的。特别是BMS是动力电池系统中的核心组成部分，因为它主要负责电池系统的可靠运行和检测。BMS的可靠性是动力电池系统设计的关键要求。这是由于在不同的恶劣的环境条件下，Bms的运行会受到很多因素的干扰。61.1.2研究的意义我国以及国外的学者一直未停止对电动汽车中的电子安全管理系统的研究，并对该领域研究持续深入，可以这样说,国内外对于纯电动汽车动力电池安全管理系
6、统的研究与设计成果都是很丰硕的,对于保护车载电源、提高动力电池寿命、增加安全性能有很大的重要意义。1.2研究现状1.2.1国外研究相关综述在国外有学者提出了一种基于平均功率法的小型电动汽车半主动混合动力储能系统的简单功率分配策略，通过采用基于平均功率法的功率分裂策略，半主动HESS系统中的超级电容器可以作为自适应功率滤波器。在此基础上，蓄电池只需向电机逆变器提供恒定/最佳功率或补偿功率。并将仿真模型融合在Matlab、Simulink中。大幅度提高了动力电池的功率效率和电流幅度，使用SC提供保护和峰值功率，确保了动力电池的使用期间增加,以及安全性能的提升。7一些学者表示电解质作为锂离子电池中最
7、易燃的组分，一直被认为与其安全性密切相关。增强锂离子电子安全性能的关键要素为电解质，因此对其进行了优化。通过使用静电纺丝和微胶囊等新型加成技术，以减少对阻燃剂物理性能的限制，改善其电化学性能。8有些学者提出：电池热管理系统的存在能够促进电池稳定、效率较高和安全性功能，其中现代商用电动汽车通常采用液基电池热管理系统，具有很高的传热效率和冷却或加热功能。该学者从低温、高温和不同温度三个方面考察了温度对电池性能的影响，接着讨论了电池管理系统，重点验证了电池建模方法与热管理策略对动力电池安全性能的影响。9又有学者提出：当电池内部的电流较大时，无论是充电还是耗电均能够使电池产生很大热量。以使混合动力传动
8、系的温度保持在安全范围内。所以研究者通过实证研究的方式结合理论，构建了相变材料和空冷相融合的热管理体系。通过采用集成热管理系统，并构建了电池的非稳态数学模型。与此同时，计算了热发电功率、热阻和时间常数，并分析了动力电池接下来的热阻、初始温度、熔化温度和环境温度等控制参数对集成热管理系统性能的影响。10有些学者研究锂离子电池的发热现象和临界发热问题，根据热循环选项进行分类。一种具有蒸气压缩循环的电池热管理系统，包括客舱空气冷却、二回路液体冷却和直接制冷剂两相冷却等相关的学术问题，他们从电池的最高温度和最大温差两个方面对各电池热管理系统进行了讨论与综述，对各系统的不足之处进行了补充，在此基础上推出
9、电池热管理系统，为高性能电池的热管理提供了一种有效的解决方案。111.2.2国内研究相关综述 在我国，大部分专家学者的观点是，能源汽车的主要动力来源于电池的供应，而对动力电池进行安全、有效的管理是新能源汽车的一项核心技术。研究者指出通过建立电池管理系统，实现对电池状态监测、信息交互、安全保护，以保障电动车在行驶过程中电力供应的安全性、合理性、高效性。在开发BMS系统过程中，两项核心技术分别是：电池剩余电量估算技术和均衡控制技术。12一些专家将电池专用采集转换芯片OZ890，用于对总电压、电流、温度等多个数据指标进行单片机的数据收集。并对收集后的数据进行分析，作为SOC估算、电池组均衡控制、电池
10、组热管理等方面研究的参考数据。13另外部分的专家，在设计过程中实现了对该系统的格式创建，利用基于电池能量的方法来估算电池荷电状态(SOC, State of Charge)和电池健康状态(SOH, State of Health)。14另外一些国内的专家，以26650磷酸铁锂电池这种电动汽车最为常用的动力电池作为研究对象，将电池单体至于环境可控的电池测试平台仪器中，进行了一系列电池容量、充电效率、开路电压、欧姆电阻以及极化电容电阻的标定测试实验。并将实验所得到的数据作为依据，构建了温度与电池外性能参数的数据模型。15不少专家就集中式电池管理系统结构上存在的不足，提出了自己的观点，并初步构建出实
11、用性较强和非常灵活的的计算式电池管理系统结构的基本框架，在此基础上成功的研发出一种嵌入式电池管理系统，该系统完美的兼容了硬件与软件之间的衔接问题，通过Soc算法的多种方式结合，最终完成电池电量监控的准确性和安全性。 1.3研究内容本文主要研究内容如下：（1）对高压电系统的故障进行分析和研究（2）动力电池的研究原理及其特性（3）系统的结构设计1.4本章小结 近年来，行业内关于电动汽车领域内的电池安全管理系统研究热度一直较高，具有重要的战略意义。动力电池管理系统无论是在国外还是国内都是热点，我认为如何使动力电池变得更加实用，更加耐用，其中安全方面无疑是重中之重。第二章锂电池的原理及其特性分析2.1
12、 电动汽车常用动力电池介绍一般，较普遍应用于电动汽车中的动力电池主要有三大类，分别是：铅酸动力电池、镍氢动力电池（Ni/H）以及锂离子动力电池。2.1.1 铅酸电池在众多电池中，以铅酸电池历史最为长远，从人类对蓄电池研究之初至现在，铅酸蓄电池已经历了150年的历史，人类在铅酸蓄电池研究领域的技术发展现已相当成熟。先铅酸电池具有价格低廉、材料易获取、性能稳定、技术成熟度高、能够承受大电流放电功能、适合于各种气候环境等多种优点，在交通、通讯、军事等领域得到广泛的应用，在各个经济领域方面做出巨大的贡献，其重要性不言而喻。铅酸蓄电池通过在其正极以及负极上发生化学反应（反应可逆）以实现电池充放电过程。铅
13、酸蓄电池电极成分主要是 Pb 粉末及2PbSO2 ，将硫酸的水溶液作为电解液17。反应方程式如下： 负极反应: PbSO2+3H+HSO4- PbSO4+2H2O 式（2.1） 正极反应: Pb+HSO4- PbSO4+ H+2e- 式（2.2） 电池反应：Pb+PbSO2+2H-+2HSO4-2PbSO4+2H2O 式（2.3）现阶段，制约我国铅酸蓄电池产业发展的因素主要集中在三个方面，首先，某些不良企业违反国家相应法律规定，私自违法从事报废铅酸蓄电池回收管理工作，大量的废旧铅酸蓄电池通过非法途径，进入回收渠道，导致正规的铅酸蓄电池回收企业在竞争过程中明显处于劣势。其次，一些不良商家私自生产
14、非法铅酸蓄电池和再生铅酸蓄电池，由于技术水平落后，使一些技术水平较差的劣质电池流入市场，导致正规企业的市场空间遭到挤压，损害了我国铅酸蓄电池市场的健康发展。第三，一些规模较小的铅酸蓄电池生产企业，由于技术技术和资金力量不足，无法加电池，生产过程当中的污染降到最低，并且由于企业规模较小使先进的电池生产技术得不到推广，限制了该行业的发展。2.1.2 镍氢电池（Ni/H）镍氢电池真正投入使用是从 1988 年左右，开始进行规模生产是 1990 年在日本。该类电池在各种性能方面均优于铅酸蓄电池，但其成本也较高。有些类别的镍氢电池的循环使用能力、快充能力均较强，容量、功率也较高，能够适应的温度范围也较广
15、，因此，这种电池的性能，符合混合动力电动汽车的使用条件，现已广泛的实际应用于众多混合动力电动汽车（最典型的的即为丰田普锐斯），发展成为该市场内的主流产品，与此同时，该类型的动力电池在电子产品、电动工具、电动自行车等日常生活用品中也得到了广泛的使用。18李晓霖电极极片中采用烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式及嵌渗式等工艺手段将活性物质进行添加，采用的工艺不同，电极的含量和电流放电能力都有很大不同，依据使用的行业不同，为一般公众使用的电池多数使用拉浆式负极、泡沫镍式正极组成的电池。反应方程式如下 ： 负极反应 ：N(OH)2+OH-NOOH+H2O+e- 式（2.4） 正极反应 ：M+H2O+e-
16、MHx+OH- 式（2.5） 电池反应 ：M+Ni(OH)2MHx+NiOOH 式（2.6）时至今日，镍氢电池的生产技术已日趋完善，在国际市场上流通的镍氢电池数量大概有七亿只左右，其中日本相关产品一直占据镍氢电池制造产业的龙头地位，美、德也紧随其后，多年来在镍氢电池的生产技术上取得了长足的进步。而我国在生产镍氢电池方面具有巨大的潜力，这是由于我国境内该电池的主要原材-稀土金属资源储量巨大，约占全世界总量的八成以上。在多年的科学研究下，我国镍氢电池生产技术也日趋完善。由于，镍氢电池与锌锰电池级、镍电池之间能够交叉式利用，因此，未来圆形电池的主要发展方向是具有一定规格的产业化发展，方形电池的发展方
17、向则适用于给电动汽车提供能源供应。2.1.3 锂离子电池由于锂电池自带的保护板可以对每一个电池单体进行精确的监测，因而锂电池具有低能耗、智能管理、充放电保护、温度控制、过电流及短路保护、锁定自动恢复以及均衡充电等诸多优点，能够保证电池的使用寿命最大程度的延长。这与其他类型的电池，如铅酸电池存在的使用过程当中，电池一致性和充电器等原因造成的过充或过放问题。但是它的缺点也很明显其一是价格比普通电池更昂贵其二是具有一定的安全隐患。首先价格竞争方面的劣势，对于同等电压电容量的先刷蓄电池其价格只有锂离子电动力电池价格的四分之一。但相信不久的将来，随着锂电池技术的不断成熟，所对应的价格将有所下降，而传统的
18、铅酸蓄电池，会因为制作工艺相对落后，随着人工费的增长而有所提高，最终导致锂电池的性价比高于铅酸蓄电池。另外就安全方面而言：锂电池具有储存能量较高，使用劣等材质生产时存在稳定性较差的安全隐患，导致其安全性受到广泛关注。众所周知，2013年，著名的外国品牌手机和笔记本出现锂电池爆炸的问题，使锂电池的安全性再度受到广泛的关。日本知名电子企业三洋和索尼公司，在锂电池爆炸概率控制范围不超过40个ppb-约合十亿分之一，由于锂电动汽车的电量存储能力远远超过手机和笔记本等电子产品，所以，对于锂动力电池的安全性的控制要更为苛刻。现阶段市面上常见的钴酸锂电池和三元材料的电池有重量轻、体积小的优点，但却不易用在电
19、动汽车的能源供应。未来锂离子动力电池的主要发展方向都集中在混晶锰酸锂和磷酸亚铁锂的锂离子电池二者身上。其中在不同材料下同为动力电池的性能对比如表2-1 表2-1动力电池性能对比2.2锂离子电池工作原理及其特性分析根据电解质的区别，我们通常将锂离子动力电池分为两类，即聚合物锂离子电池（Polymer Lithium Ion Battery，LIP）以及液态锂离子电池（Lithium Ion Battery，LIB）。他们分类的基础是电解质的差异，LIB 动力电池的电解质是液体；顾名思义，LIP 动力的电解质即为聚合物。其中锂离子电池的分类形式多样，但无论如何，电池的正负极材料是并没有任何差别，工
20、作原理也非常接近。事实上，我们可将锂电池视作一类浓差电池19-22，其中电池正极材料为LixCoO2 ，LixNiO2 或LixMn2O4 ，而负极的材料为LixC6 ,把LiPF6 与LiAsF6 等有机溶液作为电解质。通过锂离子在正负极之间不断的脱嵌实现电池的充放电。充电过程中，充电时，锂离子从正极脱出嵌入到负极，使得正极贫锂而负极富锂。同时为了维持负极的电平衡，工作过程中会从外电路向负极供给电子的补偿电荷。相反的，放电过程中， Li 从负极脱出嵌入正极，此时正极富锂而负极贫锂。23一般，如果对电池执行正常的充放电操作，则 Li在正负极间的脱嵌不会破坏基板材料的晶体结构，而仅仅会改变层面间
21、距。放电时，对负极材料的化学结构近乎没有影响，因此，可将锂电池的反应视为可逆。锂离子动力电池的电化学反应为 ： 负极反应 ：Li+ +e- +6C LiC6 式（2.7） 正极反应 ：LiCoO2 Li(i-x)CoO2 + xLi + xe- 式（2.8） 电池反应 ：LiCoO2 +6xC Li(i-x)CoO2 +xLiC6 式（2.9）锂电池中产生的化学反应， Li离子此时正不停地在正负极间脱出和嵌入，但该过程并不会生成气体，也不会有电解液的损失，因此在制造锂电池的过程中，可将其完全密封。通常，锂电池在工作过程中，并不存在或极少的会伴随连带的副反应。因此，该类型动力电池在充放电效率方面
22、的优势非常明显。其中锂离子电池工作原理如图2-1 2-1锂离子电池原理2.2.3 锂电池特性测试在电池的特性测试方面内容极其丰富，相比于通常意义上的性能测试，他们之间既有区别也有联系。首先，二者都包含了很多重合项目；其次，二者进行测试的目的有所差异，那就是在性能测试上着重于评判一个动力电池的性能“好”还是“不好”。动力电池的特性测试首先要确定测试对象，即确定选用的动力电池的类型、参数等，因此在此基础上，我基于不同的出发点针对不同的对象完成测试内容，测试主要目的是为了了解其对象的相关特性。并且想要了解的是电池自身客观存在的特性，因此，对其从电池容量、充放电效率以及内阻等方面进行了研究和分析，为之
23、后的研究行奠定了基础。1. 动力电池的容量及充放电效率测试检测动力电池的容量，指的是在电池的运行中，输出电荷的基本能力。虽然在电池上都有标额定的容量值，然而这一数据具有一些独特性，由于它是根据规定，在某一规定放电倍率以及某一规定温度下进行测试而获得的，并且在实际应用中，我们必须要掌握电池在各种情况下的不同状态，以及在不同工况下的实际容量，这样才能确保 BMS 中的剩余电量估算的功能适用于各种情况下的状态。并且充放电效率测试是为了获得从电池放出的能量同充入电池的能量的比值。这个和内阻测试相同，该项测试的结果会在不同状态下进行会出现一定程度的差异。由此可见，该测试也应在不同充放电倍率的等情况下分别
24、进行测试。其中电池的内阻和充放电效率这两项测试，对于电池的 、能量监控、SOC 估算、均衡管理等其他各个方面，都有非常重要的意义。（1）测试于恒温环境来保持同等环境，同时保证对电池进行的是恒流放电。方法：测试的温度分别控制在 T=0，20，40，测试的充、放倍率分别控制为 r=0.2C，0.5C，2C，该测试共需进行九次，分别在不同的温度下、不同的放电倍数的情况下交叉进行。该测试在进行过程中，我们需要通过将电池处于恒定温度环境，同时保证对电池进行的是恒定电流放电。（2） 测试的结果分析，经过测试，即可分别获得电池在不同的温度下以及充放电倍率下电池的充放电容量、充放电效率的变化情况，同时将数据汇
25、总到表 2-2 以及表 2-3： 充放电倍率（C） 0.2 0.5 1 0 93.18 86.41 83.33温度（） 20 94.88 91.52 88.6440 95.86 92.51 89.88 表2-2充放电效率（%） 充放电倍率（C）0.2 0.5 1 0 100.525 97.649 101.995温度（） 20 107.743 107.857 107.781 40 108.739 108.417 107.746 表2-3放电容量（AH）由此可见，动力电池在不同温度和倍率下，电池的容量和放电效果有较大的不同，当温度恒定时，充放电倍率越大，电池容量越小，充放电效率越低；当然如果充放电
26、倍率相同，则温度越变化与电池实际容量和充放电效率的变化成正比。2. 脉冲放电倍率测试这个测试的目的是为了分析动力电池的等效阻抗的特性以及回弹特性。测试的标准为端电压在动力电池从工作状态到稳定状态期间的变化情况及趋势。1) 检测方式：先将电池中的电流放出直至 SOC 在 50%左右，接着静置电池一段时间，直至稳定。而后使用恒流放电的方式将电池中的电放出放电倍率为1C，时长应为200S，最后将电池长时间静置。2) 之后得出测试结果如下表2-5： 电压（V） 3.293 3.293 3.208 3.171 3.157 3.252 3.26 3.262 3.263 3.264时间（S） 0 100 2
27、00 300 400 500 600 700 800 900电压（V） 3.265 3.265 3.265 3.266 3.266 3.267 3.267 3.267 3.268 3.269时间（S） 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900电压（V） 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27 3.27时间（S） 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 29002-5脉冲测试结果 2-2脉冲放电电压响应曲线通过分析图 2-2 的变化可知，其
28、变化规律为：当锂电池经过一段时间静置以后，如果突然对其两端通过电流，则其两端电压会出现一个突然性的下降（突变），之后其下降趋势慢慢减缓（缓变）；如果此时停止为其通过的电流，使其断电，则电压又出现突然性的回升（突变），而后同样的上升趋势有所减缓（缓变）。这种现象称之为是“回弹电压”特性。由此可知，当为锂电池通过一定的电流时，由于电池极化或电池材料等因素，电池两端的电压会出现突然性的下降和缓慢的下降，我们可以将这种变化以等效阻抗的形式表现，这也是导致回弹电压特性的原因。2.3 本章小结本章首先介绍了市面上常见的用于电动汽车的动力电池，并得出其中锂离子电池对于电动汽车的适用性是最强的结论。然后针对锂
29、离子展开了详细的研究分析，分别介绍了动力锂离子电池的工作原理、性能特点，并进了相关的性能测试，以总结出较为准确的动力锂离子电池的性能特性。第三章 高压系统的故障分析和管理图3-1表示具有代表性的电动汽车高压系统配置。为促使车辆行驶中的安全性，首先要排除汽车内的故障，汽车要检查和把控汽车中的隐患。有六类可以对电动汽车产生不同程度的安全隐患分别是：电池出现问题、线路破损接触不稳定、线路使用太久发生老化问题、线路短路、潜在故障、系统中的电瞬态冲击故障。其中线路短路与电线老化绝缘等问题可以对车载人员产生直接危害。 3.1典型的高压系统配置框架图3.1.1故障级别为促使车辆运行的安全高效性，降低故障的发
30、生率，可以将车辆故障划分为两级：级和级。级的故障指的是那些较小的故障，可以被BMS轻松检查到，并及时的提醒驾驶员，采用声音和光照警示，接着在CAN线路的传输下传达至车辆的控制器，该控制器接收信号后，及时将参数进行调整，以保护电池的安全性。级故障为严重故障，而BMS通过检查认为故障非常严重时，则通过CAN线路的传输下传达至车辆的控制器请求将高压电切断，若故障一直未解除而车辆控制器却没有执行命令，BMS可以直接将继电器组切断，已维护汽车和人员的额安全性。 24引用项胜3.1.2动力蓄电池故障动力蓄电池组是系统高压电心脏，当它发生问题不在工作时，会危害电池的安全性、致使其出现安全事故，因此要额外重视
31、。其中磷酸铁锂电池常见故障参数参考值与处理策略如表2-1所示。2.1磷酸铁锂电池常见故障与处理策略系统故障源 故障级别 上下限 故障描述 处理策略 3.1.3绝缘失效故障依据我国针对电动汽车设置的安全指标，绝缘电阻的意思为汽车底部底盘和高压电系统是否绝缘，这是一种评判该类汽车是否绝缘的指标。由于电动汽车以电来维持运行，因此电压远远高于安全意义上的电压，当绝缘电阻不发挥效能后，会危害人体健康，所以高压系统要保持较高的绝缘性。导致汽车绝缘性能下降的原因有两种。第一种，高压电缆线外表皮发生老化失去绝缘性或者由于外部水分子的存在等；第二种，汽车在长期的行驶中，由于发生碰撞或道路颠簸影响了绝缘电阻的工作
32、效能。当它的工作效能严重降低时，和底盘之间产生漏电线路，升高了底盘的电压，会导致低压电器和控制器原有的工作能力发生变化，更严重的是对车内人员的安全构成威胁。所以，要时时检查绝缘电阻的稳定性，以维系高压系统的安全性，保障车辆内部人的安全。3.1.4 接触不良或断路故障在车辆的行驶过程中，经常会出现高压线路不通畅或者突发的短路问题，这种问题通常会归于潜伏故障一类。当这类故障一旦发生，会导致车辆突然停止运转，高压电路直接流出等问题。所以，要在高压系统回路将高压接触器并联在线路中，形成压环路互锁回路，而发现连接的高圧回路不完整时，车内的BMS可认定为线路接触不良，出现断开的问题，会向车辆控制器发出信号，切断电流的运送，并解决出
