第三節　動力電池組管理系統

一、動力電池組管理系統簡介

電動汽車的整車性能很大程度上依賴于動力蓄電池，高性能、高可靠性的電池管理系統能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能，通過蓄電池管理系統（BMS）來實時監測電池狀態，如電池電壓、充放電電流等，預測電池最大允許充放電電流，以提升電池性能和壽命，提高混合動力汽車的可靠性和安全性。

根據電動汽車所采用的電池的類型和動力電池組的組合方法，電池組管理系統主要包括熱（溫度）管理子系統、電池組管理子系統、線路管理子系統，如圖2-55所示。

1．熱（溫度）管理子系統

溫度是直接影響電池性能和壽命的關鍵性因素，混合動力汽車上使用的動力電池組在工作時都會有發熱現象，不同的蓄電池其發熱程度各不相同，有的蓄電池采用自然通風即可滿足電池組的散熱要求，但有的蓄電池則必須采取強制通風來進行冷卻，才能保證電池組正常工作并延長蓄電池的壽命。另外，在混合動力汽車上由于動力電池組的各個蓄電池或各個分電池組布置在車架不同的位置上，各處的散熱條件和周圍環境都不同，這些差別也會對蓄電池充、放電性能和蓄電池的使用壽命造成影響。為了保證每個蓄電池都能有良好的散熱條件和環境，將混合動力汽車的動力電池組裝在一個強制冷卻系統中，使各個蓄電池的溫度保持一致或相接近，以及使各個蓄電池的周邊環境條件相似。

根據動力電池組在電動汽車上的布置，動力電池組的熱管理子系統中，為便于動力電池組或其分組的安裝，首先應合理安排動力電池組的支架，要求能夠實現機械化裝卸，便于各種電線束的連接。在動力電池組的支架位置和形狀確定后設計通風管道、風扇、動力電池組ECU及溫度傳感器等，動力電池組水平布置的溫度管理系統如圖2-56所示，垂直布置的溫度管理系統如圖2-57所示。

某些蓄電池在工作時，會產生較高的溫度，這時，可以充分利用其產生的熱量用于取暖和給擋風玻璃除霜等，使熱量得到管理與應用。

2．電池組管理子系統

電池組管理子系統的作用是對電池的組合、安裝、充電、放電、電池組中各個電池的不均衡性、電池的熱管理和電池的維護等進行監管，使電池組能夠提高工作效率，保證正常運轉并達到最佳狀態，避免發生電池的過充電和過放電，可以有效延長電池的壽命，以及對動力電池組的安全管理和保潔等。電池管理子系統主要包括以下幾個方面。

（1）電池的技術性能　不同類型、不同型號和不同使用程度的電池都具有不同的性能，包括電池的容量、工作電壓、終止電壓、質量、外形尺寸和電池特性（包括記憶特性）等，因此，要對動力電池組建立技術檔案。實際上即使是同一型號、同一批量的電池，由于制造原因、電解質的濃度差異和使用情況的不同，性能也不盡相同。如果將性能差異較大的電池組合在一起，會給整個動力電池組的性能帶來影響。因此，在安裝電池組之前，應對每個電池進行認真檢測，將性能差異不大的電池組成動力電池組。

（2）電池狀態的管理　混合動力汽車的動力電池組由多個單節電池組成，其基本狀態包括充電和放電時雙向作業的電壓、電流、溫度、SOC的比例等。在正常情況下動力電池組的電壓、電流、溫度、SOC的比例等應能夠進行雙向計算和顯示。

由于多種原因，在動力電池組中個別電池會出現性能的改變，使得動力電池組在充電時不能充足，而在放電時很快將電能放盡，這就要求電池管理系統應能夠及時自動檢測各個單節電池的狀態，當檢測出某節電池出現損壞狀態時，及時報警，以便將“壞”電池剔出、更換。

（3）動力電池組的安全管理　動力電池組的總電壓可以達到400V，如此高的電壓對人體會造成危害，應采取有效的隔離措施，一般是將動力電池組與車輛的乘坐區分離，將動力電池組放在地板下面或車架的兩側。在正常的情況下，車輛停止使用時，通常會自動切斷電源，只有在混合動力汽車啟動時才接通電源，當混合動力汽車發生碰撞或傾覆時，電池管理系統應能立即切斷電源，防止高壓電引起的人身事故和火災，并防止電解液造成的傷害，以保證人身安全。

3．線路管理子系統

動力電池組是由很多節單節電池串聯組成的，如果是鉛酸蓄電池，需要8～32節12V的單節電池串聯起來，其他電池需要用更多的單節電池串聯而成。為了能夠分別安裝在混合動力汽車的不同位置處，通常動力電池組上分為多個小的電池組分散進行布置，這樣有利于電池組的機械化安裝、拆卸和檢修。

線路管理子系統管理電池與電池、電池組與電池組之間的線路。當動力電池組的總電壓較高時，導線的截面積比較小，有利于電線束的連接和固定，但高電壓要求有更可靠的防護；當動力電池組的總電壓較低時，電流比較大，線路損耗也很大，需要的導線截面積也比較大，安裝不太方便。在各個電池組之間還需要安裝連接導線將其串聯起來，一般在電池組與電池組之間，裝有手動或自動斷電器，以便在安裝、拆卸和檢修時切斷電流。另外，在電池管理系統中還有各種傳感器線路等，因此在混合動力汽車上有尺寸很長的各種各樣的電線束，要求電線之間有可靠的絕緣，并能快速連接。

二、動力電池組管理系統的功能

動力電池組管理系統承擔著動力電池組的全面管理，一方面要保證動力電池組的正常運作，顯示動力電池組的動態響應并及時報警，以便使駕駛人隨時都能掌握動力電池組的情況；另一方面要對人身和車輛進行安全保護，避免因電池引起的各種事故。

1．動力電池組管理系統的基本功能

動力電池組管理系統采用先進的微處理器進行控制，通過標準通信接口和控制模塊對動力電池組進行管理，一般有以下幾個方面。

（1）動力電池組管理　監視動力電池組的雙向總電壓和電流、動力電池組的溫升，并通過液晶屏幕動態顯示出總電壓、電流及溫升的變化，避免動力電池組過充電或過放電，使動力電池組不會受到人為的損壞。

（2）單節電池管理　對動力電池組中的單節電池的管理，可以監測單節電池的狀態，對單節電池動態電壓和溫度的變化進行實時監測，以便及時發現單節電池存在的問題，并采取有效的預防措施。

（3）荷電狀態的估計和故障診斷　動力電池組管理系統應具有對荷電狀態的估計和故障診斷的功能，能夠有效地反映和顯示荷電狀態SOC。目前對荷電狀態的估計誤差一般控制在10%左右，配備故障診斷專家系統，可以早期預報動力電池組的故障和隱患。

2．動力電池組管理系統的組成

綜合動力電池組管理系統的各種功能，動力電池組管理系統的基本組成如圖2-58所示。帶有溫度測量裝置的動力電池組管理系統的基本組成如圖2-59所示。帶有溫度測量裝置的動力電池組管理系統，是利用損壞的電池在充電過程中電池的溫度高于正常電池溫度的原理，用溫度傳感器來測定和監控每一個電池在充電過程中的溫度是否在允許的范圍內。如果發現某個電池的溫度處于異常狀態，荷電狀態SOC顯示也不正常時，即刻向動力電池組管理系統反饋某個電池在線的響應信息，并由故障診斷系統預報動力電池組的故障。

三、蓄電池的放電管理

1．蓄電池放電過程中的硫化現象

蓄電池在放電過程中，兩極活性物質均轉化為硫酸鉛。充電不足或者充足電量的蓄電池因過量放電，譬如在ACC狀態下長時間使用音響設備等，使電解液中存在大量的硫酸鉛，如果車輛長期放置不用，硫酸鉛就會從電解液中析出，極板上會逐漸生成一層白色的粗晶粒的硫酸鉛，這種物質很難在正常充電時溶解還原成活性物質（稱為硫酸鉛硬化）。同時這種物質會堵塞極板的孔隙，阻礙電解液的滲入，導致容量下降，內電阻增大，啟動和充電性能明顯下降。充電時，充電電壓和電解液溫度會異常升高，并過早產生氣泡；放電時，電壓下降很快，嚴重影響蓄電池的壽命。

2．ACC/ON電源狀態下的自充電方法

傳統汽車在ACC/ON電源狀態下，如果長時間使用音響等電器，由于發動機沒有工作，因此交流發電機無法給蓄電池及時充電，很容易使蓄電池過度放電，如果車輛再長時間停放，蓄電池就會出現極板硫化的現象，影響蓄電池的使用。

在混合動力車型中，由于采用了智能啟動系統，通過PS模塊（或者HCU）實時檢測蓄電池的電壓，當蓄電池電壓下降到所允許的下限值時自動啟動充電系統，就可以達到防止蓄電池出現過度放電的現象，從而避免蓄電池出現極板硫化的問題。

如圖2-60所示是12V蓄電池自充電系統拓撲圖，該系統主要由無鑰匙啟動系統（PS）、整車控制器（VCU）、電池管理系統（BMS）和電機控制器（PEU）組成（PEU內含DC/DC功能），可以將直流288V的動力電源轉換成低壓直流電源給12V蓄電池充電。

3．蓄電池自充電系統工作過程

① 整車電源處于ACC或ON狀態時，由于較長時間內使用音響等電器，使蓄電池電壓有所降低，當PS模塊內部電源監測電路檢測到電壓低于設定值時，開始進入自行充電模式。

② PS模塊控制相應的電路閉合，并向VCU提出充電請求。

③ VCU進行診斷，確認進入READY的條件滿足，則接通主繼電器，使PEU、BMS、EMS進入工作狀態，并啟動DC/DC轉化，如果同時檢測到動力電池SOC值低于設定值時，則啟動發動機充電。

④ 動力電池的SOC值充電到設定值時，停止發動機充電，保持READY狀態，以備隨時行車需要。

⑤ 如不需使用電器，可按PS模塊上的POWER開關退出，使電源回到OFF狀態。根據上面所述的工作過程，將其轉化成如圖2-61所示的蓄電池自充電流程。