AIHUA电动汽车锂离子电池管理系统 作者：吴珍朴 13329935381 （湖北省爱华智能设备有限责任公司筹备） 摘要：近几年，磷酸亚铁锂、锰酸锂动力电池的生产技术已经成熟，由于汽车动力电池管理系统的研发严重滞后，目前已经成为制约电动汽车的发展瓶颈。我们在七年的动力电池的应用中，根据不断积累的经验，提出了AIHUA电动汽车电池管理系统。该系统与传统的电池管理系统的区别在于建立单电池组电子档案、充放电均衡、电池组可维护三个新理念。使锂离子动力电池的应用，达到非常方便的程度，就像以前的铅酸电池一样方便。在设计中，我们尽量简化电路、采用通用技术、通用原件，以节约成本，并使技术性能符合《锂离子蓄电池总成通用要求》征求意见稿中的各项要求。关键字：电动汽车、锂离子电池、管理系统 一、概述电动汽车电池管理系统的设计和使用，牵涉到锂电池生产商、汽车制造商、锂电池充电站、以及用户等。其涉及面广，技术复杂，可靠性要求高。锂电池不同于其它电池，锂电池对储存、使用都有很高的要求，错误的操作会导致锂电池早期失效，甚至造成起火爆炸。锂电池动力系统又是动力汽车中最主要的部件，成本也非常高。以一个电压200V容量100AH的普通轿车动力电池为例，成本在6-8万之间。电动汽车电池管理系统就是要保证电池正确、安全、有效的使用，保证在使用中保持最佳性能状态。AIHUA电动汽车电池管理系统采用多电源供电系统。系统电源和动力电源相互隔离，提高使用、维护的安全性、灵活性。提高系统的抗干扰能力。 AIHUA电动汽车电池管理系统有独立的系统时钟，为系统事件和系统参数提供时间坐标。AIHUA电动汽车电池管理系统分为单电池管理、电池总成管理、人机交互、充放电均衡、CAN通讯共五个部分。 图一： AIHUA电动汽车电池管理系统总框图一、难点分析与对策 动力电池为什么在电池单体测试时，各项参数都能达到企业标准，而集成为一个动力总成后，往往出现性能达不到设计要求的情况，甚至出现部分电池报废的严重情况。主要问题有三个方面，分述如下。1、动力电池的质量问题 动力电池总成一般是由几十甚至几百个单体电池串并联组成，往往一个单体电池出现问题，就会影响整个电池总成的性能，甚至造成整个电池总成无法使用。 图2： 动力电池总成在电池组中，每个单体电池都是并联的。在电池组内，如果某个单体电池内部或者外部出现短路的情况，这个电池组内的所有单体电池也都处于短路状态，这是一个很危险的情况。事实证明这种情况确实存在，并成为动力电池最致命的质量问题。单体电池内部微短路和微量漏液，是分别造成单体电池内部和外部微短路的原因。而在开始时，短路电流是很微量的，一般在出厂和早期使用阶段都很难发现。直到出现电池组早期失效，都很难想到是这两个问题引起的。通过采用大量电池组，进行长期自然存放实验，可以证明这两个问题就是导致动力电池组早期失效的主要原因。需要说明的是，微短路跟电池的自放电是两码事。漏液主要是电解液灌注、封装出现问题后产生的质量问题。而引起微短路的原因比较多。比如洁净度、粉尘、杂质、涂敷层脱落等等。解决的办法首先是电池厂商强化工艺、增强质量意识，提高产品合格率；其次是适当延长成品电池的自然存放时间，并采用专用仪器把不合格电池筛选出来。专用仪器在以后的文章中在做相关介绍。电池的使用寿命，一般用循环次数来标定。循环次数主要与正极材料有关，钴锂和锰锂循环次数都在500次以上。磷酸亚铁锂开始时，很多厂商都标到2000次、3000次，而磷酸亚铁锂正极材料供应商天津斯特兰的出厂标准是1000次，所以现在很多电池厂商都标到1000次。这个指标显然与《锂离子蓄电池总成通用要求》有一定的差距。而比亚迪出厂标准是2000次。深圳雷天的电池的出厂标准，DOD80%是3000次，DOD70%是5000次。深圳雷天的正极材料增加了微量稀土元素。一般来讲，2000次的循环次数对动力汽车来讲，应该是足够了。在电池组总成中，最受关注的是所有电池组之间在容量和内阻上的差异。由于这些差异，使动力电池的应用出现了很大的问题。单电池的这种差异，是由加工工艺所决定的。即使自动化程度很高的自动生产线，也不可能做到单体电池的性能完全一致。很多电池厂商在电池配置方面作了大量工作，由于一个电池总成使用的单体电池的数量太大，电池的配置工作是一件费力费时的工作，而这样的配置工作在量产时几乎是不可能的。解决的办法，提高电池生产线的自动化程度；制定以容量为主的电池组配置方案；用自动电子控制电路，以及能量均衡电路弥补电池组之间的不均衡性。本文中的动态均衡电路对电池组充放电过程进行精确的动态配置，能达到非常好的均衡效果。1、锂电池保护电路的技术问题锂电池保护电路目前有数字和模拟两种方式，锂电池保护板是并联在电池组两端的，即使在放电回路断开的情况下，锂电池保护板仍然是接通的。也就是说，锂电池保护板一旦接上，它就一直处于不间断的工作状态。它的工作电流虽然小，但工作时间长，一个月就有七千多小时，对电量的消耗也是非常可观的。一般锂电池保护板的耗电量指标在50微安以下。但是有些锂电池护板的电量消耗却达到了毫安级，有的甚至达到一二十毫安。这对长期储存的电池，或者是电池组的电量已经放完，又忘了及时充电的情况，会给电池组造成严重损害，甚至导致电池报废。锂电池保护电路的另一个问题是充电均衡问题，由于电池组性能存在差异，各电池组充满的时间是不一样的，均衡电路就是让充满的不再充电，让没有充满的继续充电。目前普遍采用的有两种方法。第一种是电阻分流法，这种方法通常用在串联充电的情况，但均衡效果差，功耗大，发热严重。第二种是并联充电法，这种方法均衡效果好，但充电设备复杂，连线多，成本高。采用本文提到的均衡电路能够很好的解决这一问题。2、锂电池保护产品的质量问题锂电池保护产品的质量问题，说到底是电子产品的质量问题，这个问题在国内很多专业电子生产商往往被忽视。有些厂商知道质量的重要性，却因为技术人员没有受过这方面的专业训练，不知道该怎样去控制质量。建议有关技术人员参考我国军工方面的质量控制体系，也可参考美国和原苏联的军工质量控制体系，这对我们的电子产品的质量提升会大有好处。在锂电池保护电子产品中，有一个比较难的技术问题自今没有得到完全解决，就是多串保护板测试仪。没有测试仪，出厂的产品究竟合不合格是不可知的。多串保护板测试仪有三个主要问题，第一是原理上的问题，第二是连线太多，第三是测试时间长。即使是自动测试，64串测试下来，需要30秒，加上连线的时间，可能要几分钟。如果是手动测试，可能需要1个小时。自动测试仪，在质量控制方面有着很重要的位置。我们在这方面作了大量的研发工作，取得了很好的进展，将在今后的专题中再作详细介绍。3、电池总成电量实时估算 电池总成在使用的过程中，还有多少电量，这是一个很重要的系统参数，就像普通汽车还有多少汽油一样。目前的电量估算方法，一般有开路电压法、安时计量法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法，等等。由于锂电池的荷电状态不仅跟端电压有关，还跟放电电流、电池内阻、环境温度等有关。所以荷电量的估算非常困难。而且，电池总成是由很多电池组串联起来的，本例是64组串联起来的。当其中一组电池电量耗尽时，尽管其它电池组还有很充足的电量，但是电池总成已经不能工作了。所以电量估算，只能以其中电量最小的一组为准。这也是电池总成荷电量很难估算的重要原因。解决的办法，是对电池总成中的每块电池组都进行实时荷电量估算，在综合放电电流、电池组内阻、动态电压、环境温度、放电曲线等相关参数进行修正，以保证荷电量估算的准确性。4、各厂商配合不协调 现在一个很重要的问题是，电池厂商、电子厂商、汽车厂商严重脱节。电动汽车电池管理系统不仅在国内，而且在世界上一直都是一个技术难题，不是一个厂商、也不是一两个人能够独立完成的。但是有很多电池厂商、电子厂商、汽车厂商都在各自研究开发自己的锂电池管理系统，电子产品毕竟不是电池厂商、汽车厂商的强项，开发出来的产品即使能用，也会存在诸多问题。而电子厂商由于得不到电池厂商和汽车厂商的支持，也只能是闭门造车，研发出来的产品只能做做实验，根本不能量产。最好的办法是这三家协同研发，即以电子厂商为主，电池厂商和汽车厂商协同。这样，电子厂商可以跟进动力电池和动力汽车的研发，确定和调整研发方向，并协同电池厂商和汽车厂商解决一些和电子有关的技术问题。比如电池厂商的设备改造，自动化升级，又比如汽车厂商的总体布线、汽车仪表升级等等。5、电池总成的维护 电池总成的维护一直都是一个难题。其一，电池组是经过精心配置的。其二，在几十甚至几百个电池中，要找出损坏的电池也是一件非常不容易的事。所以电池总成的维护在目前状态下几乎是不可能的。一般有一个电池损坏，就会造成整个电池报废。解决的办法是增加电池组管理系统和充放电均衡系统，其原理在下面的简要说明中再作介绍。6、充电 首先，目前充电站还不配套，买了汽车，到哪去充电是一个很大的问题。这也是汽车生产商不敢量产的原因之一。建一个充电站，是一个很复杂的事情。如果给每个动力汽车配备一个充电器，这样就方便多了。车主可以利用自己家里的220V交流电插座，或者是利用停车场提供的220V交流插座进行充电。这对于小轿车是完全做得到的。采用2KW功率，充电10个小时，可以保证小轿车行驶90公里左右。所以，动力汽车可以在小轿车中率先推行。一、AIHUA电动汽车电池管理系统简要说明1、供电系统系统中有三组供电系统。第一组是仪表供电系统，第二组是动力供电系统，第三组是动力备份电池。动力备份池由于考虑到成本因数，一般只有一到二组。 图三： 供电系统 动力电池组只跟动力电机供电，可以减少动力线的布线长度，对使用维护都有很大的好处。减少动力系统对电子设备的干扰。1、电池组管理系统电池组管理系统跟电池组组装在一起，它负责监测电池组的相关参数，并把这些参数，储存到芯片中。在该电池组出现故障时，中心控制器会提示那一组出现了什么问题，并会记录下日期和时间，由备份电池替换下故障电池。故障电池可以送维修点维修。维修点可根据自带的液晶显示屏，读取相关数据，决定维修方案。如果故障电池组被及时发现，一般只需更换一个单体电池即可。 图四： 电池组管理系统1、CAN通讯节点 图五： CAN通讯框图 1、充放电均衡系统充放电均衡系统的主要功能有：在充电状态开始时、当有一组以上电池组端电压低于放电电压的情况时，由该系统对电池组作预充电。在充电状态时，当有一组以上电池组端电压达到充电电压时，停止原充电状态，采用均衡系统对电池组作均衡充电，直至所有电池组端电压达到充电电压时为止。在放电状态时，当有一组以上电池组端电压，严重低于电池总成的平均电压时，均衡系统对相关电池组作电能补充。对备份电池组进行实时充电。2、模拟与I/O通道和其它部分在此省略。二、结束语 本系统虽然经过多年的研发，但仍有亟待完善之处。特别需要和动力汽车生产厂商，以及动力汽车生产厂商共同进行探讨和改进，进行样品的设计和生产试验、小批量生产试验等等。希望对汽车生产厂商在研发动力汽车时有所帮助。 注释：【1】 本文引用了，全国电源行业（锂离子蓄电池系统）标准起草工作组、2009年8月4日发布的《锂离子蓄电池系统（7项）基础行业标准》（征求意见稿合定本），中的相关内容。【2】 本文引用了，田晓辉，刁海南，范波，邱云鹏编写的《车用锂离子动力电池SOC的预测研究》论文中的相关内容。