国内外汽车动力电池管理系统BMS发展概况.docx

1、国内外汽车动力电池管理系统BMS发展概况引言 电池的性能与使用寿命直接决定了电动汽车的性能与成本,因此,如何提高电池的性能与寿命得到了各方面的重视。电动汽车上使用的动力电池就是由多个电池单体通过串并联方式组成电池组,电池单体都紧密地布置在一起,在进行充放电时,各个电池单体所产生的热量互相影响,如果散热不均匀,将造成电池组局部温度快速上升,使电池的一致性恶化,使用寿命大大缩短,严重时会造成某些电池单体热失控,产生比较严重的事故。当动力电池处于低温环境中,电池的充放电性能会大大降低,导致电池无法正常工作。为了使动力电池组保持在合理的温度范围内工作,电池组必须拥有科学与高效的热管理系统。目前,国内外

2、的许多研究人员对电池组的热管理系统做了大量的研究,进行了一些新的探索,以期提高热管理系统的控制效果,从而提高电动汽车电池组的性能与使用寿命。国内外汽车动力电池管理系统(BMS)发展概况目前,影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性与使用成本问题,延长电池的使用寿命就是降低使用成本的有效途径之一 为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理与控制,为此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。日本青森工业研究中心从1997年开始至今,持续进行(BMS)实际应用的研究,丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点;美国Villanova大学与USN

3、anocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测; 韩国Ajou大学与先进工程研究院开发的BMS系统的组成结构及其相互逻辑关系。该系统在上述结构中进行功能扩展,即增设热管理系统、安全装置、充电系统以及与PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通信联系,实现能量制动反馈与最大功率控制。我国在十二五期间设立电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展之后,在BMS方面取得很大的突破,与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中,就分别有北京理工大学承担的EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混

4、合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统与DC/DC变换器等一大批相关课题。 现在国外正在开展基于智能电池模块(SBM)的BMS研究,即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路,然后封装为一个整体,多个智能电池模块再与1个主控制模块相连,加以其它辅助设备,就构成1个基于智能电池的管理系统。该BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡与电池保护等功能。美国Mi

5、cron公司开发的军用电动车辆BMS采用的就就是这种结构。 电动汽车电池组热管理系统结构1、热管理方式 电池组中有电解液、电极、隔板等各种材料,由于高温会加速它们的老化速率,而且当电池组中温差较大时,高温部分的老化速率会明显快于低温部分,随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显,从而破坏了电池组的一致性,最终使整组电池提前失效。所以,电池热管理设计对于维持电池正常工作,延长使用寿命从而减少售后使用成本具有重要作用。从控制性的角度,热管理系统可以分为主动式、被动式两类。从传热介质的角度,热管理系统又可以分为:空气冷却式热管理、液体冷却式热管理,以及相变蓄热式热管理。1、动力电池组的冷却方法

6、早在上世纪70 年代,就已有文献提出了铅酸动力电池组的热管理问题。动力电池组布置比较紧凑,如果没有合理的冷却措施,将导致电池组局部温度上升,电池组充放电性能下降,部分电池过充或过放电,造成电池使用寿命缩短。电池组冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却以及热管冷却。1、1 空气冷却空气冷却就是利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却。空气冷却按照冷却系统所采用的结构不同,分为串行与并行冷却方式;按照就是否使用风扇,分为自然与强制两种冷却方式。1、1、1 串行与并行冷却方式1999 年,Ahmad A、Pesaran 等人1-2提出了串行与并行冷却方式,如图1 所示。图1(a)就是串行式冷却

7、,空气从电池包的一侧吹入,从另一侧吹出,容易造成电池包散热不均匀;图1(b)就是并行式冷却,空气从电池包底部吹入,从上部吹出,几乎相同的空气量流过各个电池模块的表面,能够使电池包散热均匀。文献2中用二维模型模拟了串行与并行的冷却效果,如图2 所示,在相同条件下,并行冷却比较均匀,电池包中最大值温度差为8 ,采用串行冷却时,虽然电池包的最低温度有所下降,但就是电池包中温度差高达18 。1、1、2 自然与强制冷却方式自然冷却即没有采用冷却风扇,此方式冷却效果比较差。强制冷却指采用冷却风扇进行冷却,大部分电动汽车都在使用这种冷却方式,丰田Prius 与本田Insight 都采用强制冷却2002年,K

8、enneth J、Kelly 等人3对2001 年款Prius 与2000年款Insight 的电池热管理系统进行测试,结果表明,两款车的电池温度被控制在合理范围内。Prius 采用的冷却风扇有四种工作模式:停止、低速、中速与高速,热管理系统根据电池包温度的不同使风扇以不同的模式进行工作。文献4对空气强制冷却效果进行了实验与数值模拟,实验采用18650 型锂离子电池,当环境温度在45 、放电倍率为6、67 C 时,无论空气的流速多大,都无法将电池包的温度控制在55 以下;当空气流速增加时,电池单体表面温度差也将随之增大。在高温环境下,强制冷却无法将电池包的最高温度控制在安全范围内,为解决这一问

9、题,可以采用文献5提出的主动热管理系统:在空气充入电池包之前,先通过冷却装置对空气进行冷却,经过冷却的空气能够有效地控制电池包的最高温度。1、2 液体冷却虽然气体冷却比较简单,成本低,但就是冷却效果有限,尤其在高温环境、高电流放电时,比较容易出现热失控,引发安全事故。与空气相比,液体具有高的热容量与导热系数,所以,在相同体积与流速下,液体的冷却效果要明显比空气好。虽然液体冷却效果要明显优于空气冷却,但就是,采用液体冷却必须考虑密封、绝缘、电池包比能量降低以及成本等问题,AhmadA、Pesaran2,4对这些问题进行了比较详细的讨论。文献6提出采用冷却盘方式对方形动力电池进行冷却,冷却盘内腔有

10、液体流道,文章对流道的优化设计进行了详细叙述。1、3 相变材料冷却近年来在国外与国内出现采用相变材料(PCM)冷却的电池热管理系统展现出良好前景。利用PCM 进行电池冷却原理就是:当电池进行大电流放电时,PCM 吸收电池放出的热量, 自身发生相变,而使电池温度迅速降低。此过程就是系统把热量以相变热的形式储存在PCM 中。在电池进行充电的时候,特别就是在比较冷的天气环境下(亦即大气温度远低于相变温度PCT ),PCM 把热 量排放到环境中去。 相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、不需要耗费电池额外能量等优势。具有高的相变潜热与导热率的相变材料,用于电池组的热管理系统中可以有效吸收充放

11、电过程中放出热量,降低电池温升,保证电池在正常温度下工作。可以使大电流循环前后电池性能保持稳定。通过在石蜡中添加热导率高的物质制成复合PCM,有助于提高材料的综合性能。相变材料(PCM)以其无毒、不易燃、可储热、成本低以及应用方便等优点,已被广泛应用于电子设备的冷却系统,1994年,Rafalovich A 等人7用相变材料对铅酸电池进行冷却,通过数值模拟与实验证明采用相变材料的可行性。Said Al-Hallaj 与J、R、 Selman 等人8-12对相变材料作为锂离子动力电池的冷却材料进行一系列研究。文献8-9通过模拟仿真论证了相变材料作为锂离子动力电池被动式热管理系统冷却材料就是完全可

12、行的。文献10-11以电动踏板车为研究对象,使用18650 型锂离子电池替代原车的铅酸蓄电池,给出确定每个电池单体需要PCM 数量的计算方法。同时,通过对比实验发现,由于相变材料的导热率低,如果单独采用相变材料进行冷却,电池放电时所产生的大部分热量无法快速地散发到空气中,从而导致电池包中不同位置的电池单体出现较大的温差。通过在相变材料中添加泡沫铝,可以大大提高相变材料的导热系数,使电池组的温度分布均匀。文献4,12将强制冷却与采用相变材料的冷却效果进行比较,其中,为提高相变材料的导热率,在相变材料中添加了石墨,仿真结果表明:相变材料的冷却效果要明显优于强制冷却,在45 环境温度与大电流放电的情

13、况下,无论流速多大,强制冷却无法将电池包的温度控制在安全范围内,而相变材料可以,并且电池包的温度分布均匀。文献13用电加热管模拟电池放热,研究了相变材料的整个相变过程以及相变材料中不同位置的温度变化情况,实验结果表明相变材料具有良好的冷却效果。相变材料作为动力电池的被动式冷却系统有其独特的优势:不需要冷却风扇、排气扇、冷凝器以及冷却路线设计。虽然相变材料有以上一些诱人的优点,但就是也不能忽视相变材料的缺点,Said Al-Hallaj 等人虽然在文献中强调采用相变材料可以减小电池包的体积与整个电池系统的质量,但就是没有相应的对比实验,这两项指标就是否能够降低应该进行验证。1、4 热管冷却热管冷

14、却就是1942 年美国人R、S、 高勒提出,1967 年热管首次在航天上使用,并取得成功,许多电子设备上开始采用热管进行冷却,电动汽车动力电池应用热管进行冷却还在研究阶段。2002 年,Mao-Sung Wu 等人14利用热管对12 Ah 圆柱形锂离子电池进行模拟仿真与实物实验,实验结果表明热管冷却能够降低电池的最高温度,并且可以使电池的温度分布均匀,但实验也表明热管需配合散热片与风扇使用才能有比较好的冷却效果,同时应注意热管与电池必须有良好的接触,否则热管的冷却效果将大大下降。热管冷却在动力电池上的应用目前还处于初步阶段,随着研究的进一步深入,此项技术将有可能应用到电动汽车上。 从以上三类热

15、管理形式上瞧,相变蓄热式热管理具有得天独厚的优势,值得进一步研究与产业化开发应用。1、5、磷酸铁锂电池的热管理系统开发 下面以应用在某插电式混合动力汽车中磷酸铁锂电池的热管理系统为案例,对其模拟不同的整车工况,通过系统台架对冷却运行特性、控制目标与策略等进行测试与分析。1、5、1、系统架构 水冷式电池冷却系统采用冷却液(50%/50% 水/乙二醇)将电池热量,经电池冷却器传递至空调制冷剂系统,并通过冷凝器传递至环境中。电池进口水温经电池冷却器换热后容易达到较低的温度,可调节电池在最佳工作温度范围内运行;系统原理如图所示。其中制冷剂系统主要部件有:冷凝器、电动压缩机、蒸发器、膨胀阀带截至阀、电池

16、冷却器(膨胀阀带截止阀)及空调管等;冷却水路包括:电动水泵、电池(含冷却板)、电池冷却器以及水管、膨胀水箱等辅件。1、5、2冷却运行特性 在试验准备阶段,为了使电池充满电量并达到一定的起始电池温度点,采用了充电、充-放电以及环境温度舱升温等不同方式。根据电池产热行为分析,这个过程中电化学反应热与焦耳热占主导,伴随着副反应热与电极极化热以及外界传热等形式,将电池加热到恶劣起始工况;在试验阶段,研究冷却过程的启动、运行特性,掌握电池的降温速率、影响因素及温度分布等。对电池的负载工况,根据整车适用环境、目标市场、行驶模式、热管理需求等制定,可以分恶劣驾驶工况、普通驾驶工况等分别对电池热管理系统的冷却

17、特性进行考察,本文将以热启动、NEDC(新欧洲驾驶循环)、低速爬坡三种工况为例进行分析。我们结合一款电池热管理系统的台架试验开发进行了简单分析与说明,结果表明该系统能满足电池在这三个工况下的冷却要求。因为电池冷却的传热途径为电池芯体-传热介质-冷却板-冷却液,所以在电池内部存在温差,以及建立稳定的热平衡需要一定的时间。依此,在试验中,切断冷却器,即电池冷却停止后,冷却液温度回升,但电池温度仍维持下降趋势,因为冷却板表面与电池之间仍存在温度梯度与传热行为,下降速率也逐渐放缓;该过程持续大约20分钟。这对有效减少电力消耗与优化控制提供了重要参考。 2 动力电池组的加热方法与电池组冷却相比,电池组加

18、热没有引起足够的重视,随着电动汽车的逐步推广,电池组的加热问题就是不可回避的。当电池处于比较低的温度下(10 以下),电池的工作电压与放电量都将大大下降,如图3 所示,在低温放电时,电极的极化严重,电池内阻大大增加,电解液的活性物质不能得到充分利用,电池的电压下降快,放电效率低,当环境温度低至40 时,电池所发出的功率已无法使电动汽车正常行驶。2、1 电池内部加热法A、Hande 与T、A、Stuart15-17提出采用交流电直接对电池的电解液加热的方法,文献15,17采用低频60 Hz 与高频1020 kHz 交流电对铅酸电池与镍氢电池进行加热,实验表明两种加热方式只需要几分钟就可以将电池从

19、40 超低温加热到20 。低频60 Hz 交流电的实现比高频1020 kHz 交流电要简单,但就是装置的体积大、质量重,实现装车使用比较困难,同时,电池专家指出采用60 Hz 交流电加热,半个周期8、33103 s 的时间足够使电池产生大量电离,缩短电池的使用寿命,目前暂未发现使用高频1020 kHz 交流电会对电池产生类似损害。高频1020 kHz 交流电需要车载发电机才能实现,因此电池自身无法提供加热所需的能量,所以高频交流电加热只适用于混合动力电动汽车,在纯电动汽车上无法使用。文献18对内部加热与其它几种常用的外部加热法的加热效果进行仿真模拟,如图4 所示,内部加热的效果明显优于外部加热

20、。2、2 电池外部加热法与内部加热法相比,外部加热比较安全、容易实现,但就是能量损失大,加热时间长。在已发表的文献中主要采用加热板加热、加热套加热与珀耳贴效应热泵加热。2、2、1 加热板加热加热板加热指在电池组顶部或底部添加电加热板,对电池加热时,将加热板通电,加热板的一部分热量通过热传导的方式直接传给电池,还有一部分通过周围被加热的空气以对流方式对电池进行加热。加热板所需的电能由电池组本身提供。文献19采用在电池组底部添加加热板的方式对电池进行加热,并安装风扇减少电池单体的温差,通过对加热板的加热效果进行模拟:在加热板保持50 恒温的情况下,将电池组从20 加热到20 需要4 h,电池组的温

21、差为28 。2、2、2 加热套加热加热套加热指每个电池单体加上一个加热套,加热套由电阻材料制成,这种加热方式可以使电池单体受热均匀,能量损失比较少,加热时间相对比较短,但就是,在高温环境中,加热套会造成电池散热困难。奇瑞汽车公司对这种加热方式申请了专利。2、2、3 珀耳贴效应热泵加热珀耳贴效应指电流流过两种不同导体的界面时,从外界吸收热量,或向外界放出热量,通过改变电流的方向,可以实现加热与制冷两种功能,加热与制冷强度通过电流大小进行精确控制。Chakib Alaoui 与Ziyad M、 Salameh20-22对珀耳贴效应在电动汽车上的应用进行研究。文献23利用珀耳贴效应制作电热装置,并对

22、该装置进行实验,实验结果表明该装置具有结构简单、温度控制精度高,能耗低等优点。文献21-22提出将珀耳贴效应应用在汽车上的装置结构,以及在汽车上的布置方案,该装置不仅可以对电池加热与冷却,而且还可以替代汽车上的空调。通过模拟仿真以及在Solectria Force 电动汽车上的实验,证明珀耳贴效应在电动汽车上使用就是可行的,但就是文献没有给出具体的加热时间,以及冷却时,电池的工作情况与环境温度等。Bartek Kras 与Marcin Ciosek 等人利用珀耳贴效应研制开发了主动式电池组热管理系统,并且装配到SAM EVII 电动汽车上,热管理系统可以有效地对电池进行冷却与加热,此车已在欧洲

23、销售。但没有给出热管理系统的具体结构、加热与冷却温度范围以及温度调节时间等具体数据。电池组热管理系统发展趋势电池组热管理系统对于提高动力电池组的性能与使用寿命起到关键性作用。目前热管理系统的冷却部分虽然有许多新的方法提出,空气冷却方式仍然就是主要采用的方法,空气冷却比较容易实现,但冷却效果不佳。液体冷却有较好的冷却效果,而且可以使电池组的温度分布均匀,但就是液体冷却对电池包的密封性有很高的要求,如果采用水这类导电液体,需用水套将液体与电池单体隔开,这样不仅增加了系统的复杂性而且降低了冷却效果。热管技术作为电池组新的冷却方法被提出后,有了一定的发展,但就是受到布置与体积的限制,目前还没有在实车上

24、使用的报道。PCM 冷却以其简单的结构、低廉的成本以及零能耗,成为比较有吸引力与发展潜力的冷却方式。与电池组的冷却相比,电池组的加热问题没有受到足够的重视,但就是动力电池组低温下充放电性能大大降低就是不容回避的问题,如何使动力电池组在低温甚至超低温环境下快速地恢复正常的充放电性能就是电池加热系统所要解决的问题。虽然内部加热速度非常快,但就是由于诸多因素影响,在纯电动汽车上还无法采用。目前,电动汽车上主要采用加热板的方式对电池组进行加热,这种加热方式虽然结构简单,但就是加热时间长,加热后会造成电池包内温度不均匀,而且能耗比较大,采用加热套的加热方式,可以缩短加热时间,使电池单体均匀受热,如果通过

25、深入研究,进一步缩短加热所需要的时间,减少能量损耗,这种加热方式就是完全可行的。珀耳贴效应热泵加热法就是一种新的加热方法,可以对电池组进行冷却与加热,因此具有良好的应用前景。 以上基于动力电池热管理,从电池的产热行为认识了不同工作过程的主要热源,以及高温与温度差异对电池的不良影响,并讨论了不同的热管理形式及优缺点。另外,我们也从中发现: 电池降温速度对系统冷却能力设计有重要影响,这主要就是涉及到电池内部的传热设计,比如热量传递路径、传热介质、电池芯体结构设计等,电池自身发热与能够被带走的热量不能等同,这一点必须由电池总成的台架试验进行测定,然后输入给外部热管理系统; 电池模块布置方式也就是重要

26、影响因素,但这与整车布置空间、碰撞安全等相关,在进行布置设计时,热管理系统设计也需密切关注与评估,并可以作为整车电池布置方案决策的输入。结合电池运行特性,在后续开发阶段,需对空调系统耦合运行与热管理控制策略进行深入研究,使系统节能、高效地对电池进行热管理。 从电池设计与热管理系统开发两个环节来瞧,应从战略高度将两者有机结合起来,进行同步开发,使电池更好地适应整车应用与开发,这样既能节约整车成本,又能降低应用难度与开发成本,形成平台化应用,从而缩短新能源汽车的开发周期,加快不同新能源车型的市场化进度。作为主动热管理系统。参考文献:1 CHEN C C, GIBBARD H F、Thermal m

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