淺析混合動力汽車電池管理系統（5000/20）

汪洋青　段慧云

摘 要：如今，人們越來越關心自己所駕駛的交通工具。目前，我國大部分汽車仍然使用石油、天然氣等燃料，其排放的尾氣對環境和氣候產生了很大的負面影響，同時燃料消耗也日益增加?；旌蟿恿囀瞧囶I域中的一大亮點。它具有低排放、低能耗的優點，克服了純電動汽車使用壽命短的缺陷。與傳統的汽車相比，混合動力汽車最顯著的特點是在動力系統中加入了能量電池。在低污染、高經濟性的基礎上，對發動機和蓄電池進行了協調。鑒于能量電池在汽車領域中的作用，要對其進行有效的管理，這是電池管理系統的職責。

關鍵詞：混合動力汽車 電池管理系統 荷電狀態

A Brief Analysis of Battery Management System for Hybrid Vehicles（5000/20）

Wang Yangqing Duan Huiyun

Abstract：Nowadays， people are more and more concerned about the vehicles they drive. At present， most of China's cars still use oil， natural gas and other fuels， and the exhaust emissions have a great negative impact on the environment and climate， while fuel consumption is also increasing. Hybrids are a highlight in the automotive sector. It has the advantages of low emissions and low energy consumption， and overcomes the shortcomings of short service life of pure electric vehicles. Compared with conventional cars， the most significant feature of hybrid vehicles is the addition of energy batteries to the powertrain. On the basis of low pollution and high economy， the engine and battery are coordinated. Given the role of energy batteries in the automotive field， it is the responsibility of the battery management system to manage them effectively.

Key words：hybrid vehicle， battery management system， state of charge

隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，汽車已經成為人們日常出行的主要交通工具。但是，環境問題也隨之而來，如環境污染、能源危機等。如何有效地節約能源，降低污染的排放量，已成為當今世界各國面臨的一個重要問題?；旌蟿恿﹄妱榆嚨难邪l和推廣具有很大的發展潛力。

1 混合動力汽車研究近況

混合動力汽車是近幾年來汽車工業中的一個熱門話題。這是因為現代社會的能源危機，使得人們意識到了對新型能源的需求。在主要工業國家中，能源消費所占的比重高達24%，而如今，在各個行業中，電池正逐漸成為人們關注的焦點。因為電池無污染，應用在汽車上可以實現零排放，有助于解決汽車造成的環境污染。汽車的發展，對能源和環境都有很大程度上的影響。隨著混合動力電動技術不斷成熟，電池也在迅速推廣[1]?；旌蟿恿ζ囯姵丶夹g的發展，使其在能量管理方面有了很大進步。我國對于電池研究起步較晚，但經過幾十年來不斷地努力與創新。目前國內已經研發出一系列不同類型、性能優異的新型鋰離子蓄電體和燃料油存儲器等產品；國外也正在積極開發新材料、新工藝及應用領域中取得突破性進展；一些發達國家正致力于建立高效可靠且成本較低的動力汽車儲能系統，并在電動汽車電池技術方面進行研究工作[2]。

2 混合動力汽車的關鍵技術

按照《電動技術委員會》第69條建議，混合動力汽車（HEV）是一種由兩個或更多個不同的能源供給混合動力的車輛，在這些能源中，至少有一個能源供應?，F在，國內外的專家們已經基本形成了一致意見：混合動力汽車不僅僅是電動汽車的一個轉折點，更是汽車行業將要面對的一次變革。眾所周知，燃料電池是電動車商業化、產業化的最大希望，然而由于其不可逆性，僅以燃料電池為動力源，無論在剎車、減速過程中，都不可能完全恢復其動力，而現在新能源車的電池問題更是一個亟待解決的問題。所以，燃料電池必須和蓄電池一起構成一個混合動力系統。因此，混合動力電動車產業化發展勢在必行[3]。要使混合動力汽車得到進一步的發展，并將其產業化，必須解決下列幾個關鍵技術：

2.1 電池技術

混合動力汽車的電池與電動汽車的工作狀態是不一樣的，其充電速度和效率都是很高的。所以，對混合動力電動車的電池要求既有高的能量密度，又有較高的功率密度。發展高性能、低成本、長壽命的電池一直是混合動力汽車發展的重點。

2.2 電池管理系統

電池的放電深度、充放電電流的大小、車輛的行駛狀況等都會對電池的壽命、充放電效率、內阻等產生一定的影響。同時，國內對蓄電池的恒流放電性能和電流放電性能的研究也僅僅限于對其進行分析，因此，建立一個適合電動車實際使用情況的能源管理模型是十分必要的。為了構建一個適合于實際工作環境的蓄電池能量管理系統，為負載平衡控制器提供可靠的控制參數，是當前混合動力電動車研發中亟待解決的問題[4]。

3 電池管理系統概述

3.1 什么是電池管理系統

對于混合動力汽車的電池組管理系統，它是通過對發動機、蓄電池以及電動機等部件進行優化組合的方式來完成電機驅動系統和蓄電池控制系統之間合理地結合。在設計過程中首先要考慮到的是如何實現電機最佳的工作模式。其次就是如何選擇合適類型的電機。最后還要考慮怎樣能夠有效提高效率并且降低成本問題，從而使其可以更加環保節能，還能為環境做出貢獻達到雙贏效果。在設計過程中要考慮到電池組的工作模式和電機功率大小以及電機類型等因素綜合來確定其是否能夠正常運行。電池管理系統主要有三大部分：（1）傳感器的采集。傳感器在汽車上進行工作，其功能是把汽車行駛中所需要的各種信息轉化為電信號，然后再傳輸到控制單元ECU從而使電機能夠根據指令完成相應動作。（2）充放電管理及維護。充放電管理主要是根據電池的工作狀態來對其充電過程進行控制，從而達到延長電池壽命、減少能源消耗等目的。（3）安全監控及維護。在汽車上使用電池時需要檢查蓄電量是否充足以及溫度狀況和電機轉速情況，以免發生意外事故或造成不必要損失；負責判斷當前系統內電源電壓能否正常運行并記錄數據以便于故障診斷與維修，同時也能對電池進行過充電保護，防止損壞電池引起火災、爆炸等危險事件的發生。

3.2 電池管理系統工作環境

電池管理系統的工作環境主要包括：①溫度和濕度。在正常情況下，隨著儲能裝置充放電次數逐漸增加，系統中所儲存的電量會慢慢降低。因此當系統處于高溫或低溫條件時或者充電電流過大時會對蓄電設備造成損壞；②酸堿腐蝕性氣體及電解液濃度變化等因素影響著該部件壽命以及性能指標是否合格、電池容量大小與溫度和濕度密切相關。當電池容量過大時，會使系統中的電極材料發生化學反應，從而導致充電終止，嚴重時會造成蓄電量不足。因此在充放電過程中會產生大量酸性氣體和電解液。如果充放電過程中，充電電流過大，會導致電池容量下降，甚至失效[5]。

4 動力電池系統的建模與分析

4.1 動力電池模型

在實際的車輛行駛過程中，混合動力汽車的能源消耗是通過動力電池來實現，但是由于其自身特性以及能量密度等限制因素（如熱穩定性、循環壽命和溫度）使得汽車上存在著一些問題。因此需要對現有鋰離子電池模型進行改進優化，從而提高性能以達到節約能源，降低污染排放的目的，在實際應用中，動力電池是一種高效且成熟的儲能裝置，其工作原理與鉛蓄混合動力電動車輛相比更為簡單，但是由于它具有高能量密度和循環壽命長等優點。同時鋰離子電池具有循環壽命長、能量密度高和低噪聲等缺點，所以其在汽車上的應用越來越廣泛。動力電池的充放電過程是循環的，在整個充電過程中，當汽車停車、啟動的時候鋰離子電池端電壓較低導致其容量衰減慢；車輛停止后由于能量密度高和使用時間長會造成其壽命縮短。所以為了提高它工作性能就需要改進傳統混合動力系統[6]。

4.2 混合動力汽車動力系統建模步驟

建立電池管理系統的物理模型。在對系統進行分析后，將復雜問題抽象為簡單化，通過建模得到各子系統之間相對關系。建立一個簡化、直觀且易于理解的混合動力系統數學模型。該過程是：首先通過MATLAB軟件繪制出理想狀態下汽車發動機工作點；然后再根據所設條件確定電機功率和傳動比并計算動力總成重量損失值及燃油消耗率等參數；最后在計算機上進行仿真運行達到理論分析效果，最終實現對系統性能優化設計。在建模過程中需要對每個子系統都進行仿真計算，并通過模擬真實環境條件下系統性能優化效果。由于電池管理系統是一個非線性工程模型分析方法。所以要建立合理、準確和高效混合動力系統數學模型必須滿足以下要求：首先在構建發動機控制系統時應考慮到各部件之間存在著相互作用及相互制約關系；其次電機功率與傳動比的選取也需符合實際情況；最后對電動機參數進行仿真計算并得出最佳工作狀態，為系統設計提供理論依據。

4.3 動力電池系統的仿真計算

電池系統的仿真計算是通過對整個裝置系統中各部件進行參數優化，使其達到最佳工作狀態。在實際應用過程里，由于各種原因造成了電池單體容量和輸出功率波動較大。因此為了減少這種影響因素可能需要對每個零部件都做更細致地分析與研究，以保證整個設計更加合理可行；也可以利用計算機軟件來模擬電動機、控制器等部件的運行狀況，并通過仿真計算得到結果與實測數據進行比較，從而獲得性能最優參數，為電機和發電機優化提供一定依據。在實際使用過程中，由于各種原因導致電池單體容量和輸出功率波動較大，從而使整個系統的性能受到影響。因此，在進行仿真計算時應考慮各部件之間的匹配問題。在對電池系統的仿真計算中，為了簡化分析過程，通常是把整個裝置分為若干個單元模塊進行計算。每個部件都根據各自特點來選擇相應參數，如蓄電池、充放電控制器等。在實際應用中則可以通過軟件模擬其電壓、電流和功率特性，從而得到最佳輸出功率曲線并與實測數據比較而獲得性能最優結果（即能量利用率）最大化或效率最高的優化效果，這也是該系統設計中最重要部分之一，對整個裝置的仿真計算有著非常重大意義。在對電池組的仿真計算中，由于每個單體都根據實測數據進行了參數匹配，因此需要考慮到不同模型之間的差異。例如：蓄電池組與發電機并聯時其輸出功率較低；電機和發電機串聯后輸出電壓最高。

5 混合動力汽車電池管理系統的控制策略

5.1 混合動力汽車電池管理系統控制器

控制器主要是通過控制電池組的充電速率和溫度，從而達到延長其恒流輸出功率，提高動力蓄電池循環壽命的目的。目前常用的是串聯式鋰離子能量管理系統。在該系統中使用了兩個繼電器來完成電路功能。當充電接口開啟后與控制器相連，控制器控制電池組充電過程中的電壓，當汽車行駛到終點時，系統會自動切斷電源并使其恢復恒流狀態。

5.2 混合動力汽車電池管理系統控制策略與管理

在電池管理的過程中，控制策略是非常重要且必須要考慮到的。對于混合動力汽車來說，電池管理系統控制系統主要包括：對蓄電狀態進行監控、充電模式和充放電電流等。

（1）對蓄電量監測與控制

當儲能裝置工作時可以根據不同車型所需電壓來設定不同值。例如：當行駛里程達到一定數值后需要停止供電或通過控制電路調節至恒流源的方式使其維持在一個恒定值，當蓄電池電壓低于恒壓源的充電電流時，控制電路就會輸出一個低電平，此時汽車可以在穩定狀態下使用。在對蓄電池進行充放電時，由于充電電流的波動，系統需要監測其電壓，并根據不同用戶的要求來控制功率輸出。為了保證汽車能有一個良好性能和安全穩定運行狀態下所需充、放空容量以及溫度等參數可以達到標準規定值。因此要實現這個功能就需要對蓄電池組內電壓進行監控與調節;在充電完成后及時調整充放電速度以延長蓄電池循環壽命周期;同時還必須考慮到不同用戶的特殊需求。

（2）控制充電電流的大小

當電池充滿電時，儲能裝置需要切換到恒壓模式或者是快速充放電狀態，這樣就可以通過調節電壓來實現對蓄電池進行不同程度地保護，也能夠讓汽車在行駛過程中保持恒定不變?；旌蟿恿ζ嚨碾姵亟M一般采用串聯或并聯的方式，在充電前，要將整個系統進行分段，這樣就可以把各單體充放電路和控制電路連接起來，對蓄電池電壓、電流大小及容量等參數實時監測與調節。當儲能裝置內出現空閑狀態時，及時停止給其解壓閥處注入一定量電能;而當充電終止后，再進入到下一個循環過程，來控制電機的輸出功率，使混合動力汽車達到最佳運行速度。

6 結語

綜上所述，我們可以了解到，混合動力汽車的電池技術發展已經有了很大程度的進步。但是我國目前還處于研究和試驗階段。因此需要大量投入資金來解決這一問題，使其在國內市場能夠得到長遠發展；其次要從國外引進先進設備以及技術進行改進與創新。最后是對充電設施進行升級改造以適應更多車型性能需求等措施來提高混合動力電動汽車產品質量并促進產業化進程，從而帶動整個行業的進步。隨著市場的發展，混合動力汽車越來越受到人們關注，而在我國也開始重視起來。因此研究并完善這一新興產業將具有十分重要的意義。

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目：基于插電混動系統電池能量管理與分配技術的研究，項目編號：GJJ204007。

參考文獻：

[1]姜久春，牛利勇，張欣.混合動力汽車電池管理系統的研究[J].高技術通訊，2004，14（6）：75-77.

[2]樊成，徐強，王磊，等.混合動力汽車電池管理系統研究[J].湖北農機化，2019（4）：47.

[3]伍星，王杰.混合動力汽車電池管理系統的分析[J].機械制造與自動化，2008，37（5）：148-150.

[4]胡明輝，秦大同，舒紅，等.混合動力汽車電池管理系統SOC的評價[J].重慶大學學報（自然科學版），2003，26（4）：20-23.

[5]張茜.混合動力汽車電池管理系統的均衡策略分析[J].湖北農機化，2020（4）：168.

[6]張忠義，羌嘉曦，楊林，等.混合動力汽車電池管理系統[J].機電工程技術，2006，35（1）：61-64.