高性能、高可靠性的蓄电池管理系统保障混合动力汽车安全

混合动力汽车的整车性能很大程度上依赖于动力蓄电池,高性能、高可靠性的蓄电池管理系统能使蓄电池在各种工作条件下均获得最佳性能。通过蓄电池管理系统（BMS）实时监测蓄电池状态,如蓄电池电压、充放电电流等,预测蓄电池最大允许充放电电流,以提升蓄电池性能和寿命,提高混合动力汽车的可靠性和安全性。

蓄电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、蓄电池组管理子系统和线路管理子系统,如图1-26所示。

图l-26 蓄电池组管理系统

1.热管理子系统

温度是直接影响蓄电池性能和寿命的关键性因素。混合动力汽车使用的动力电池组在工作时都会有发热现象,不同蓄电池发热程度不同。有的蓄电池采用自然通风即可满足电池组的散热要求,但有的蓄电池则必须釆取强制通风来冷却,才能保证蓄电池组正常工作,并延长蓄电池的寿命。另外,在混合动力汽车上,由于动力电池组的各蓄电池或各分电池组布置在车架不同位置上,各处的散热条件和周围环境都不同,这些差别也会对蓄电池充、放电性能和使用寿命造成影响。为保证每个蓄电池都能有良好的散热条件,将混合动力汽车的动力电池组装在一个强制冷却系统中,使各蓄电池的温度保持一致或接近。

动力电池组的热管理子系统中,为便于动力电池组或其分组的安装,首先应合理安排动力电池组的支架,要求能够实现机械化装卸,便于各种线束的连接。在动力电池组的支架位置和形状确定后,设计通风管道、风扇、动力电池组ECU和温度传感器等,混合动力汽车上水平布置的温度管理系统如图1-27所示,垂直布置的温度管理系统如图1-28所示。

图1-27 动力电池组水平布置的温度管理系统

1—冷却空气吸入管道 2—分电池组 3—动力电池组密封支架 4—冷却风扇 5—分电池组冷却气流 6—温度传感器

某些蓄电池工作时会产生较多的热量,这时可以充分利用这些热量,用于取暖和给风窗玻璃除霜等,使热量得到管理与应用。

2.蓄电池组管理子系统

蓄电池组管理子系统的作用是对蓄电池的组合、安装、充电、放电,蓄电池组中各蓄电池的不均衡性,蓄电池的热管理和蓄电池的维护等进行监管,使蓄电池组的工作效率提高,保证正常运转并达到最佳状态,避免发生蓄电池的过充电和过放电,以有效延长蓄电池的寿命,实现对动力电池组的安全管理和保洁等。蓄电池管理主要包括以下方面。

图1-28 动力电池组垂直布置的温度管理系统

1—冷却空气吸入管道 2—温度传感器 3—蓄电池组管理 4—充电器 5—蓄电池组通风箱 6—单元电池 7—分电池组 8—风扇

①蓄电池的技术性能。不同类型、不同型号、不同使用程度的蓄电池具有不同的性能,包括蓄电池的容量、工作电压、终止电压、质量、外形尺寸和特性（包括记忆特性）等。因此,要给动力电池组建立技术档案。实际上,即使是同一型号、同一批次的蓄电池,由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况不同,性能也不尽相同。如果将性能差异较大的蓄电池组合在一起,会给整个动力电池组的性能带来影响。因此,在安装蓄电池组前,应对每个蓄电池进行认真检测,将性能差异不大的蓄电池组成动力电池组。

②蓄电池状态的管理。混合动力汽车的动力电池组由多个单节电池组成,其基本状态包括在充电和放电时,双向作业的电压、电流、温度、SOC比例等。在正常情况下,动力电池组的电压、电流、温度、SOC比例等,应能进行双向计算和显示。

由于多种原因,动力电池组中的个别蓄电池会出现性能改变,使动力电池组在充电时不能充足,而在放电时又会很快将电能放尽。这就要求蓄电池管理系统应能及时自动检测各单节电池的状态,当检测出某节电池出现损坏状态时,及时报警,以便将坏蓄电池替换。(www.xing528.com)

③动力电池组的安全管理。动力电池组的总电压可达90～400V,如此高的电压对人体会造成危害,应采取有效的隔离措施。一般是将动力电池组与车辆的乘坐区分离,将动力电池组放在地板下面或车架两侧。正常情况下,混合动力汽车停止使用时,通常会自动切断电源,只在起动时才接通电源。当混合动力汽车发生碰撞或倾翻时,蓄电池管理系统应能立即切断电源,防止高压电引起的人身事故和火灾,并防止电解液造成的伤害,以保证人身安全。

3.线路管理子系统

动力电池组是多节单节电池串联组成的。如果是铅酸蓄电池,则需要8～32节12V单节电池串联起来,其他蓄电池需要用更多单节电池串联。为了能够分别安装在混合动力汽车的不同位置,通常将动力电池组分为多个小电池组分散布置,这样有利于蓄电池组的机械化安装、拆卸和检修。

线路管理子系统管理蓄电池与蓄电池、蓄电池组与蓄电池组之间的线路。当动力电池组的总电压较高时,导线的截面积比较小,有利于线束的连接和固定。但高电压要求有更可靠的防护,当动力电池组的总电压较低时,电流比较大,线路损耗也很大,需要的导线截面积也比较大,安装不方便。在各蓄电池组之间,还需要安装连接导线以串联起来。一般在蓄电池组与蓄电池组之间,装有手动或自动断电器,以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外,在蓄电池管理系统中还有各种传感器线路等,因此在混合动力汽车上有很长的各类线束,要求电线之间有可靠的绝缘,并能快速连接。

4.动力电池组管理系统功能

动力电池组管理系统承担着动力电池组的全面管理工作：一方面要保证动力电池组的正常运作,显示动力电池组的动态响应并及时报警,以便使驾驶人随时掌握动力电池组的情况：另一方面要对人身和车辆进行安全保护,避免因蓄电池引起的各种事故。

①动力电池组管理系统的基本功能。动力电池组管理系统用先进的微处理器进行控制,通过标准通信接口和控制模块对动力电池组进行管理,一般有以下方面。

a.动力电池组管理。监视动力电池组的双向总电压和电流、动力电池组的温升,并通过液晶显示屏动态显示出总电压、电流及温升的变化,避免动力电池组过充电或过放电,使动力电池组不会受到人为损坏。

b.单节电池管理。监测单节电池的电状态,对单节电池的动态电量和温度变化进行实时监测,以便及时发现单节电池存在的问题,并采取有效的预防措施。

C.荷电状态的估计和故障诊断。动力电池组管理系统应具有对荷电状态的估计和故障诊断功能,能够有效地反映和显示荷电状态（SOC）。目前,对荷电状态的估计误差一般控制在10％左右,配备故障诊断专家系统,可以早期预报动力电池组的故障和隐患。

②动力电池组管理系统组成。动力电池组管理系统的基本组成如图1-29所示。

带有温度测量装置的动力电池组管理系统的基本组成如图1-30所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统,利用损坏的蓄电池在充电过程中温度高于正常蓄电池的原理,用温度传感器来测定和监控每一个蓄电池在充电过程中的温度是否在允许范围内。发现某个蓄电池的温度处于异常状态,荷电状态（SOC）显示也不正常时,便立即向动力电池组管理系统反馈某个蓄电池在线的响应信息,并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。

图1-29 动力电池组管理系统的基本组成

1—电动机 2—逆变器 3—继电器箱 4—充电器 5—动力电池组（由多个分电池组组成） 6—冷却风扇 7—动力电池组管理系统 8—荷电状态（SOC）显示器 9—车辆中央控制器 10—驾驶人控制信号输入 11—电压表 12—电流表 13—温度表

图1-30 带有温度测量装置的动力电池组管理系统

1—蓄电池组 2—温度传感器 3—故障诊断器 4—温度表 5—动力电池组管理系统 6—电压表 7—电流表 8—荷电状态（SOC） 显示器 9—断路器