寒地动力锂电池综合管理技术
摘要：文章主要根据动力锂电池的电化学和温度特性，结合当前电池管理技术的现状，提出一种关于电池管理系统的设计方法，此方法旨在充分发挥电池组的效能，延长电池组的使用寿命，扩大动力锂电池应用的区域范围，从而打破动力锂电池在高寒地区电动汽车领域应用的禁区。文章主要从以下几个方面分析和阐述电池管理系统的功能以及设计方法：1、电池组的单体电压均衡技术；2、电池组的热管理技术；3、电池管理系统的低功耗设计。文中涉及的技术不仅仅针对北方高寒地区，对于夏季炎热的南方地区也同样可以改善动力电池组的热管理能力和综合性能。
关键词：高寒地区，电动汽车，电池管理系统，单体电压均衡，热管理
Abstract：The article based mainly on the electrochemical ａnd temperature characteristics ；；；of lithium battery, combined with the current status quo of battery ；；；management technology, presented a design method of Battery Management System, this method is designed to make the most of the battery pack performance, extended battery life, expａnd the scope of power lithium battery application areas, thus breaking the lithium battery in the Alpine region electric vehicle fields of the restricted area. Articles from the following analysis ａnd elaboration of Battery Management System functions as well as design methods: 1, Battery unit voltage balance technology, 2, The temperature management technology, 3, Low-power design of battery management system. Techniques involved in not just for the Northern Alpine region, also in southern summers are hot ａnd can also improve thermal management capabilities ａnd integrated battery pack performance.
Keywords：Alpine region，electric vehicle，battery management system，battery unit voltage balance，temperature ；；；management
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作为未来汽车的发展方向，电动汽车是车载电源、驱动系统和车身系统三大系统的结合体，车载电源是电动汽车的核心系统，也是目前电动汽车的发展遭遇的瓶颈所在，用于车载电源的储能部件主要是二次电池或燃料电池。由于技术和成本等原因，在未来相当长的一段时间内燃料电池尚难以实用化。锂离子电池具有大容量、长寿命以及与环境友好等优良性能使之成为电动汽车的首选储能部件，尽管在价格、容量、寿命等方面距离电动汽车的实用化要求仍有差距，但截至目前，还没有哪种电池比锂电池更适合电动汽车的应用。
目前，电动汽车在我国的南方及中原地区已经搞得如火如荼，中央和一些地方相继出台了扶植政策以促进电动汽车的研发和推广。在我国北方，由于大部分地区处于温带或寒温带，冬季寒冷而漫长，极端的低温使动力锂电池无法正常使用，以至这些地区成为动力锂电池在电动汽车领域应用的禁区。
本文主要根据动力锂电池的特性，结合电子电源技术、计算机控制技术以及热力学技术，提出一种电池管理系统的设计思路，旨在打破动力锂电池在高寒地区电动汽车领域应用的禁区，推动电动汽车产业的发展。
一、车用动力锂电池（组）在应用中的一些问题
动力锂电池必须串联使用才能达到驱动汽车的电压要求。遵循木桶理论的短板效应原理，串联电池组的性能取决于性能最不利单体。
与铅酸、镍氢电池等不同，由于材料和生产工艺的原因，锂电池自身存在一定的安全隐患，过充、过放都会对电池的性能和寿命产生不利影响，严重时可能引发安全事故。
动力锂电池在出厂时不可能做到性能完全一致，在长期使用过程中，这种不一致性可能会继续积累、扩大。
过高或过低的温度都会使电池的效能下降，严重时电池组可能无法正常使用甚至引发安全事故。
电池组内的温度场分布不均也会对电池的劣化速度造成影响，进而使单体的不一致性加剧，电池组的短板效应愈发明显，电池组的性能迅速下降。
综合以上问题，在动力锂电池的使用过程中必须采取有效的管理措施。理想的的电池是不存在的，象汽车发动机的工作需要很多外围系统的支持一样，动力锂电池与电池管理系统相互依赖、不可或缺，共同组成一个完整的车用储能系统，系统的完善与否直接决定了动力锂电池的可用性，因此对电池管理系统的研究和探索对于促进电动汽车产业的发展也同样具有重要的现实意义。
二、电池管理系统应该具备的功能：
一般，电池管理系统应（BMS）具备以下各项功能，用户的需求这些功能可以适当作出取舍：
⒈ ；；；电池管理系统应具有自诊断和故障记录的存储功能，电池管理系统应能对电池组和系统自身的一些故障作出判断，并根据故障的程度和性质执行相应的保护动作并发出警告信息。
⒉ ；；；电池状态的实时监测，在电池的充放电过程中电池管理系统对各单体电池的3个状态参数（电压、电流、温度等）及其变化率进行实时采集和监测。
⒊ ；；；根据采集的监测数据，采用适当的算法评估电池组及各个单体的满充容量（FCC）、荷电状态（SOC）以及劣化程度（SOH）等。
⒋ ；；；保持电池的状态记录，电池管理系统应内置大容量存储器或提供外部存储器接口用来存储电池的使用记录，存储记录的长度应不低于一个循环周期。
⒌ ；；；根据电池的状态参数进行均衡管理。电池在出厂时就存在不一致性，随着时间的推移，单体劣化速度的不同会造成单体间的差异逐渐变大。性能较差的电池，在大电流放电时会出现较大的电压波动幅度。与正常电池相比这些电池劣化的速度更快，更容易损坏，因此电池管理系统需要采取一定的均衡措施来平衡单体的电压，使电池组摆脱短板效应。
⒍ ；；；根据采集的电池参数对电池组进行热管理。电池组的温度也是影响电池组性能的重要参数，电池组温度过高或过低都会对电池组造成不可逆转的破坏，此外电池组内温度场的分布不均还会加剧电池的不一致程度。因此，车用动力锂电池系统必须具有完善的热管理能力。
⒎ ；；；根据采集的电池参数进行充、放电管理。管理系统根据电池的状态计算最大可充、放电电流并通过数据总线对整车控制器和充电机进行适当的限制。
⒏ ；；；根据采集的电池参数进行保护和故障报警。当电池的状态参数出现极端的变化，以致电池管理系统无法对其进行有效管理的情况下，系统应采取切断电池的工作回路等措施以保证电池组、车辆及成员的安全。电池管理系统的基本保护功能主要包括过/欠压保护、高/低温保护以及过流和短路保护等。 ；；；
⒐ ；；；与其它设备的数据交换，电池管理系统应具备多种数据通讯总线，通过数据总线电池管理系统与车载显示器、整车控制器和充电机等实现数据交互，以使各系统协调工作。
⒑ ；；；网络监控和其他辅助功能。电池管理系统可内置GPRS网络通讯终端、GPS卫星信号接收终端以及加速度传感器等设备。通过GPRS网络，管理系统可以与数据中心或手持终端进行数据交换，以便管理者可以及时掌握车辆的位置和电池的状态等信息，在必要时还可以采取一定的干预措施。车辆的加速度、行驶速度、道路的坡度以及行驶距离等信息还可以与电池的工作参数同步记录，将更有利于研发人员把握车辆和电池系统的匹配和设计规律，缩短车辆的研制周期。
在寒地电动汽车的应用技术中，对电池组的热管理及均衡能力的要求更加苛刻，这也是保证电池的正常使用和准确评估电池荷电状态（SOC）的必要条件。首先，对电池组进行有效的热管理，在电池组内建立一个适合锂电池工作的环境，有利于低温环境下充分发挥动力锂电池的优良性能；其次，高效率的均衡管理可以克服电池组的短板效应，提高电池组的续航能力；另外，寒地应用也要求管理系统尽可能的降低自身的功耗，以使低温环境下车载控制电源的续航能力不致受到较大的影响。
三、相关的技术及实现
1、无损主动均衡技术。电池电压的均衡控制在电池管理系统中占据着重要的位置，也是提高电池组容量的利用率，摆脱短板效应的重要措施。要实现单体电压的均衡控制，就离不开均衡器，否则管理系统即使得到了电池电压失衡也无能为力、无所作为，也就无所谓电池管理；电池电压的均衡主要有两种分类，从能量的转移方式分有能量耗散型和无损转移型，从均衡的控制策略上分有被动均衡和主动均衡。
能量耗散型均衡主要采用电阻把电压较高单体的多余电能转化为热能消耗，此方法不但均衡能力有限而且容易引起发热，更无法使电池组摆脱短板效应，其缺点是显而易见的。无损转移型均衡主要采用能量转移电路把高压单体的多余电量转移至低压单体，从而使单体间的电压趋于一致。能量转移电路的形式多种多样，其中反激变换器的电路简单而且成本低廉，比较适合在均衡系统中采用。
图（一）是一种具有同步整流功能的双管反激变换器的电路拓扑，由于变压器原边漏感的反激能量可以通过钳位二极管反馈给供电电源，变换器可以获得较高的原边效率；其次，这种变换器的副边采用同步整流技术，整流管的压降可以降低至200mV，整流功耗大幅降低。这种变换器的效率可达90%，而且安全可靠。
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图（一）具有同步整流功能的双管反激变换器
被动均衡和主动均衡的区别主要在于均衡的控制策略的不同，一种是电压失衡已经成为事实后再去均衡，另一种是根据单体电压的变化趋势做出的未雨绸缪、主动防御式的均衡，这两种方式在电池的均衡管理中可同时采用。
2、电池组的热管理技术
动力锂电池的性能对其使用温度较为敏感。过高的温度会使电池的荷电能力下降，电池的寿命受到影响，极端时还可能引发安全事故。过低的温度会使电池的内阻变大，放电能力下降，严重时电池组可能无法正常使用。
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图（二）电池组热场分布图
单体电池在电池组内大多并排摆放，如图（二）所示，靠近边缘的电池与外界环境的热交换条件较好，靠近中心位置的电池与外界环境的热交换条件较差，这样的结构很容易在电池组内形成热岛效应（或边缘效应），造成电池组内的温度场分布不均。工作时，受电池自发热的影响，热量在电池组的中间聚集，电池组的内外层之间容易形成梯度温差，单体电池的劣化速度受到不同程度的影响，长此以往，单体电池的不一致性将逐步拉大，严重影响电池组的使用寿命。
由于以上原因，车用动力锂电池组应该具有完整的温度控制能力，电池组的热管理也是电池管理系统的重要组成部分。常规的电池组一般采用通风散热的形式对组内电池进行热平衡管理和散热控制。这种电池组可以在一定的程度内解决电池系统的热平衡和散热问题，但对于低温环境就显得无能为力了，采用具有内、外空气循环功能的电池组箱体结构可以有效地解决这个问题。
如图（三）、图（四）所示，在电池组的箱体结构中采用了绝热材料。绝热
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图（三）空气外循环原理图
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图（四）空气内循环原理图
材料可以降低边缘电池与外界环境的热交换能力，电池组的热平衡控制能力得以提高，同时，由于绝热层的使用，电池系统在静态条件下热量的散失大大减少，有利于低温环境下电池组温度的保持。此外，如果在循环风路中合理的设置加热或制冷的设备，电池组的温度将很容易得到控制。
3、系统的低功耗设计
电池管理系统一般采用分布式结构，电位的不同使得各单元的供电需采用隔离的DC/DC变换器，一般输入电压为12V的DC/DC其空载电流约为20 ~ 30mA，正常工作时，DC/DC的输入电流可达70 ~ 100mA，多个变换器同时工作对车载控制电源的续航时间会造成一定的压力，在寒地应用时尤为明显。所以电池管理系统尽可能采用低功耗设计，以减少对控制电源的影响。
电池管理系统的低功耗设计主要从以下三个方面入手：
首先，硬件设计时尽可能优化电路结构并采用功耗较低的元器件，以降低系统的静态电流和工作电流；
其次，硬件设计时应预留硬件休眠或硬件掉电的控制接口，以便系统处于闲置状态时，可以控制硬件进入休眠或掉电状态；
再次，系统的软件应具有低功耗控制功能，在系统闲置或待机时可周期性的控制硬件进入休眠或掉电状态，这样可以大幅度降低系统的工作电流。
遵循以上设计原则，电池管理系统的功耗可以大幅度降低，有利于提高车载控制电源的支持时间。
四、结论
电池的均衡控制、电池组的热管理以及电池管理系统的低功耗设计是寒地电动汽车应用技术中必须重视的内容。高效率的均衡不仅可以最大限度的利用电池组的容量，而且可以改善电池的工作条件，延长使用寿命；热管理则相当于给电池盖了房子，安了空调，有了合适的工作环境，动力锂电池的性能才能得以从分发挥，这也是突破北方高寒地区车用动力锂电池应用禁区的关键；电池管理系统的低功耗设计可以帮助节省车载控制电源的宝贵电能，对于低温环境下延长车载控制电源的续航时间具有重要的作用。
本文所涉及技术不仅仅针对北方高寒地区，对于夏季炎热的南方地区也同样可以改善动力电池组的热管理能力和综合性能。
当前，电动汽车产业正推动着电池技术的迅猛发展，对电池管理技术的研究也不断的提出新的要求。随着电动汽车普及速度的加快，由其所支撑的庞大产业链将日益突显，作为产业链的重要一环，电池管理系统也正以其独特的作用迎来新的机遇和挑战。