纯电动汽车管理系统的拓扑结构

2023-09-18 理论教育版权反馈

【摘要】：研究电池管理系统的拓扑结构，需要分两个层面来进行。1）BMC与各个单元电池之间的拓扑关系。（二）BCU与BMC之间的拓扑关系BCU与BMC共板在某些电动汽车的应用案例中，由于动力电池个数较少，电池管理系统的规模相对较小，BCU和BMC可以设计在同一块电路板上，对车上所有动力电池进行统一管理。动力电池在没有负载情况下的端电压称为开路电压。

在电池管理系统中，硬件电路通常被分为两个功能模块，即电池监测回路（Battery Monitoring Circuit，BMC）和电池组控制单元（Battery Control Unit，BCU）。研究电池管理系统的拓扑结构，需要分两个层面来进行。

1）BMC与各个单元电池之间的拓扑关系。

2）BCU与BMC之间的拓扑关系。

（一）BMC与各个单元电池之间的拓扑关系

（1）一个BMC对应一个单元电池

每个单元电池配置一块单独的监控电路板，对电池的电压、温度、电流等物理量进行监测。根据需要可在BMC中加入通信、均衡等控制功能，以便向BCU报告有关信息，并通过旁路电阻的方式对所管辖的单元电池实施能量耗散型的均衡管理。其特点是：BMC与单元电池距离较短，采集精度高，抗干扰性好；但成本较高，能耗较大。

（2）一个BMC对应多个单元电池

一块BMC电路板负责多个单元电池的信息监测，平均成本降低，但采集线路较长，可能导致连线的复杂程度较高，抗干扰性能相对较差，电压采集精度较低。

比亚迪e5整车动力电池包，整体的低压控制包括CAN线通信及四个接触器控制，均是直接通过一个单独外挂的BMS工作完成的^[1]。

（二）BCU与BMC之间的拓扑关系

（1）BCU与BMC共板

在某些电动汽车的应用案例中，由于动力电池个数较少，电池管理系统的规模相对较小，BCU和BMC可以设计在同一块电路板上，对车上所有动力电池进行统一管理。

（2）星型

BCU位于中央位置，通常带有一个总线集中模块，通过总线与BMC连接，使多个BMC能共享通信信道。优点是便于进行介质访问控制；缺点是通信线路较长，难维护，可扩展性差，受总线集中模块端口的限制，不能随意增加多个BMC单元。

（3）总线型

每块BMC都是通信总线的一部分，用于通信信道的线材开销相对较小，连接方式更为灵活，可扩展性强；但存在通信线路的相互依赖性较高的问题。

（三）动力电池的电压、原理、结构

（1）动力电池各个电压的解释

①端电压

端电压是指：动力电池正极与负极之间的电位差。动力电池在没有负载情况下的端电压称为开路电压。动力电池接上负载后处于放电状态，此时电池电压称为负载电压，又称为工作电压。

②终止电压

电池充放电结束的电压称为终止电压，分别称为充电终止电压和放电终止电压。

③充电限制电压

充电过程中有恒流变为恒压充电的电压。

④放电截止电压

电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压称为放电截止电压（若继续放电则过放电，对电池的寿命和性能有损伤）。

常见几种动力电池的单体开路电压、工作电压、放电截止电压、充电截止电压如表4.1所示。

表4.1 动力电池各个电压的解释

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磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂离子电池，简称为磷酸铁锂电池，是用磷酸铁锂（LiFePO4）材料作电池正极的锂离子电池，是2002年后推出的产品，是锂离子电池家族的新成员。

（2）动力电池的基本结构

电池是一种将化学反应释放的能量直接转换成直流电能的装置，是实现化学能转换成电能的过程，必须满足如下条件。

①必须使化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行）和得到电子的还原过程（在正极进行）分别在两个区域进行。

②两电极间必须具有离子导电性物质。

③化学反应过程中电子的传递必须经过外线路。

为了满足构成电池的条件，电池必须包含以下基本组成部分：正极活性物质、负极活性物质、电解质、隔膜、外壳以及导电栅、汇流体、极柱、安全阀等零件。

（3）动力电池充放电

动力电池的充、放电电压情况，如图4.1所示。

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图4.1 电池充放电电压变化曲线

（4）动力电池术语

①电池容量

电池容量是指电池在一定放电条件下所能放出的电能，是电池电性能的重要指标，它由电极的活性物质决定。

·容量用C表示，单位用A·h（安·时）或mA·h（毫安·时）表示。

·公式：C=I×T，即电池容量（A·h）=电流（A）×放电时间（h）。

·容量为10A·h的电池，以5A放电可以放2h，以10A放电可以放1h。

·电池的实际容量主要取决于活性物质的数量、质量、活性物质的利用率等因素。

②电池内阻

电流通过电池内部时受到的阻力，使电池的故障电压降低，该阻力称为电池内阻。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。

电池内阻的包括欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成；极化电阻是指化学电源的正极与负极在化学反应进行时由于极化所引起的内阻，它是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。

电池内阻的测量可以使用电池内阻测试仪进行，如图4.2所示。测量方法如下。

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图4.2 电池内阻的测量（使用电池内阻测试仪）

·打开智能化内阻测试仪。

·点击单体电池的测量。

·输入电压类型、电池类型、电池号等参数。

·点击“开始测试”，即可进行测量。

③能量和能量密度

能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能，单位用W·h或kW·h表示。其中：能量（W·h）=额定电压（V）×工作电流（A）×工作时间（h）。

示例如下：3.2V15A·h单体电池的能量为48W·h，3.2V100A·h电池组的能量为320W·h，3.2V、50A·h方形锂电池的能量为160W·h，如图4.3所示。电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标，不能决定做功的多少。

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图4.3 LF50锂电池电池能量标签

能量密度是指单位质量或体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度（W·h/kg）或体积能量密度（W·h/L）。能量密度形象地描述电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积能量密度形象地描述电池的布置控制等。

常见几种类型电池的能量密度，如表4.2所示。

表4.2 不同动力电池的能量密度

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④功率与功率密度

功率是指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。

而功率密度又称为比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

⑤荷电状态

荷电状态（SOC）描述电池剩余电量，其值为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值，一般使用百分比表示，SOC的取值为0～1。

动力电池的剩余电量^[2]评估是动力电池管理系统中最为重要的功能之一，系统中的许多其他功能都依赖于剩余电量评估的结果。

实际应用中，在常温和小倍率放电的前提下，广义和狭义的剩余电量几乎相等。但对于电动汽车而言，剩余电量的评估是为了估算电动汽车所能行驶的剩余里程，而电动汽车动力电池工作环境温度的变化和放电倍率可能较大，使用广义剩余电量的概念显然是不合适的。

⑥放电深度

放电深度（DOD）是放电容量和额定容量之比的百分数，与SOC之间存在如下的数学关系。

DOD=100%-SOC

⑦循环使用寿命

循环使用寿命是指以电池充电一次和放电一次为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量降到一规定值（一般规定为额定值的80%）以前，电池经历的充放电总次数。循环使用寿命是评价电池寿命的一项重要指标。

⑧自放电率

电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量与电池容量的比例，称为自放电率。用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。

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