基本信息
- 项目名称：
- 新能源汽车动力电池管理系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一种对新能源汽车动力电池组进行监测、控制和管理的重要装置。系统采用模块化设计，由检测模块、主控模块和均衡模块组成。主要功能包括准确、实时地检测电池组单体电压、电流、温度等参数，电池组充放电主动均衡管理，剩余电量估计（SOC），电池组热管理等。成果已申报国家发明专利1项。本作品可提高新能源汽车电池使用效率、延长使用寿命、增加续驶里程、提高动力系统可靠性，进而有效提升新能源汽车整车品质。
- 详细介绍：
- 能源与环境的严峻形势使得新能源汽车成为未来汽车发展的趋势，电动汽车是新能源汽车发展的重要方向，因此，国家全面推进电动汽车产业的发展。动力电池成本占整车成本的50%以上，重量占整车的30%左右，对整车的实用性、经济性影响重大。动力电池只有在优良的电池管理系统支持下才能充分发挥能效，实践证明先进的电池管理系统能够提高电池工作效率30%以上，因此，动力电池管理系统成为新能源汽车的核心零部件。 本作品新能源汽车动力电池管理系统是对新能源汽车动力电池组进行安全监控及有效管理的装置。本作品旨在提高新能源汽车电池使用效率，增加续驶里程，延长使用寿命，降低运行成本，提高电池组可靠性，增强动力系统可靠性，进而有效提升新能源汽车整车品质。 本作品硬件主要由控制模块、均衡电源模块和检测模块三部分构成。控制模块能够根据既定策略完成控制功能，实现SOC估计，同时将电池状态数据通过CAN总线发送给整车其他电子单元；均衡电源模块能够平衡单体电池间的电压差异，解决电池组“短板效应”；检测模块能够对电池组关键状态参数进行准确、实时的检测，并通过SPI上报给控制模块。 本作品主要有如下几方面功能： 电池状态参数检测：系统实时地采集电池包中单体电池电压、主回路总电流、电池包中多点温度等状态信息。 SOC估计：电池剩余电量估计（SOC）如同汽车的油量表，可反映出电池组剩余电量的多少。系统采用结合了开路电压法和按时积分法的估算公式进行SOC的估计。 热管理：系统首先测得电池包中多点温度建立温度场，再根据既定的控制策略驱动风扇或电热丝工作，实现双向调温来维持电池组工作的理想温度。 充放电均衡管理：动力电池组的单体一致性差极易导致过充过放情况的发生，严重影响电池寿命。系统密切监视电池组充电和放电过程中单体电池的电压差异，必要时通过控制均衡电源模块和检测模块中的均衡充电或均衡放电回路通断切换，完成均衡充放电管理。 能量系统建模：从整车能量角度出发，提出基于混杂系统理论的电动汽车能量系统建模与仿真方法，准确、全面地反映动力电池由离散事件驱动的连续状态变化过程。 本作品主要有如下创新点： 1．电池组的充放电均衡管理方法。检测模块中集成了检测、均衡充电和均衡放电三个回路，通过光耦器件与芯片控制门对三个回路的通断切换进行控制，实现不同功能回路的复用。采用电压检测法判断电池模块中单节电池充放电状态，当检测到某节电池充放电不均衡时，通过控制模块同时控制均衡电源模块和检测模块来实现充放电过程的均衡控制。该方法已申报发明专利一项（一种动力型锂离子电池均衡充放电方法，专利号：201110070929.8）。 2．基于混杂系统理论的电动汽车能量系统建模与分析方法。有别于现有的动力电池连续过程建模方法，从混杂系统角度出发，将纯电动汽车的能量消耗需求与补给动作映射为离散事件，进而将包含充电器、动力电池、驱动电机和其他用电单元的汽车能量系统整体地抽象为由离散事件驱动的连续状态变化过程，再运用混杂系统理论与方法，实现对电动汽车能量系统的建模和分析。 中国已确定在2020年实现500万辆电动汽车上路的目标，这占到全球电动汽车市场的35%。调查显示，60%的中国受访者称会考虑购买混合动力汽车或纯电动汽车，较之美国、日本、德国等其他国家高出近5倍。能源发展的趋势加上消费者的认可，使得我国新能源汽车产业发展潜力巨大。国内电池管理系统存在智能性不强、集成度偏低，部分核心功能（如充放电电压差异均衡、SOC估算等）无法达到设计要求等不足。国外虽有类似产品，但核心技术被垄断且价格昂贵。本作品适用于端电压≤5V的所有类型动力电池，适用范围广；采用模块化、可配置设计，通用性强；利用回路复用结构实现精简电路设计，成本低，可靠性高。因此本作品应用前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的 本作品旨在提高新能源汽车电池使用效率，增加续驶里程，延长使用寿命，降低运行成本，提高电池组可靠性，进而有效提升新能源汽车整车品质。 基本思路 系统通过传感器、芯片及相关电路采集电池包的电压、电流、温度等信息，根据既定策略完成电池组热管理、充放电均衡管理、剩余电量（SOC）估计等功能。电池的状态和管理信息就地存储，同时通过LCD屏实时的反映给用户。 创新点 1．电池组的充放电均衡管理方法。系统控制均衡电源模块和检测模块中的光耦器件及芯片控制门实现对检测模块中集成的检测、均衡充电、均衡放电三个回路通断切换控制，完成均衡充放电管理。 2．基于混杂系统理论的纯电动汽车能量系统建模与分析方法。将纯电动汽车的能量消耗需求与补给动作映射为离散事件，将汽车能量系统整体地抽象为由离散事件驱动的连续状态变化过程，再从混杂系统角度对其进行建模和分析。 技术关键 电池状态参数检测； SOC估计； 充放电均衡管理； 能量系统建模与仿真； 技术指标 单节电池电压检测精度：±8mV 电流检测精度：±0.1% FS±0.1%RD 电池组充放电电流分辨率：0.1A 电池组充放电电压分辨率：0.1V 温度检测精度：±0.5°C 温度监测范围：-40°C ～ 85°C 单节电池间电压均衡差异：≤ 0.01V 单节电池适用规格：端电压标称值≤5V SOC估计精度：5%
科学性、先进性
- 本作品在以下两个核心技术上有实质性的进步： 1. 电池组充放电均衡管理方法。国内外的电池充放电均衡方法有很多，包括变压器储能局部放电思想等。本作品中通过控制光耦器件与芯片控制门来实现检测、均衡充电和均衡放电三个回路的通断切换复用，完成电池充放电过程的均衡控制。该方法可以将单节电池电压差异控制在10mV以内，目前国内的普遍水平为20-25mV。该方法已申报发明专利一项，题目为“一种动力型锂离子电池均衡充放电方法”。 2. 基于混杂系统理论的纯电动汽车能量系统建模与分析方法。动力电池工作过程本身是连续的，但受到耗能需求与补给动作等离散事件的影响使能量供给系统并不是稳定连续的系统。本作品有别于现有的动力电池连续过程建模方法，从混杂系统角度出发，实现对纯电动汽车能量系统的建模和分析。这样更有利于了解电动汽车能量变化过程，优化电池管理系统的功能。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在2010年11月校第十二届“斛兵杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。 本作品在2011年5月第四届“挑战杯”合锻股份安徽省大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。 本作品已通过国家认定的第三方检测机构质量检验合格认证。
作品所处阶段
- 实验室研发阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点与优势及推广前景 技术特点：1.单节电池端电压分级检测法精度高、速度快；2.充放电均衡管理方法采用巧妙的复用电路架构，成本低、可靠性高、均衡能力强；3.SOC估算法结合了开路电压法和按时积分法，提高估算精度：4.热管理采用双向调温法； 技术上的优势：1.适用于端电压≤5V的所有充电电池，适用范围广，通用性强。2.模块化的系统结构和精简的电路设计使本作品更容易实现产业化。以上优势保证作品有广阔的应用前景。 适用范围： 1.电动汽车的动力电池管理；2.通信、军事、航空航天等领域的动力电池管理；3.用于教学与科研； 市场分析与经济效益预测 能源与环境的严峻形势使新能源汽车成为未来汽车的发展趋势，到2020年中国的电动汽车将达到500万辆，占到全球市场的35%，市场潜力巨大。国内电池管理系统与国外差距较大，国外产品的核心技术被垄断且价格昂贵。本作品由于技术先进、投入生产成本低、性能优越，产业化之后必将取得较好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 新能源汽车部分或全部依赖车载电池储存的有限能源，且需要应对各种复杂工况，这使得BMS成为整车中的核心部件，技术门槛较高也使其成为其中收益最高的环节之一，因而受到汽车电子企业的普遍追捧。国外具有代表性的产品如德国的B．Hauck设计的BATTMAN系统，该系统强调将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法来实现对不同型号电池组的管理。再如美国通用汽车公司生产的GM EV1电池管理系统，该系统包括电池模块、软件BPM、电池组热系统和电池组高压断电保护装置四个部分，该系统把侧重点放在了电池组的可靠性上。 我国十五期间在BMS方面取得了一定的突破。代表性的如北京理工大学为纯电动汽车研制的电池管理系统该系统已经在BK 6121EV纯电动公交客车上安装，可以有效地管理电动车辆有限的能量，实现电动车辆效率最大化，并解决了动车辆运营过程中的故障诊断、高压安全、充电通信接口、延长电池使用寿命、提高电动车可靠性等问题。再如清华大学为一汽EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统，在行驶过程中可对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监控，防止过充电和过放电。另外，还有湖南神舟公司研制的7200混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块，EQ6110混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块，苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统等课题。 伴随着国内各大主机厂的电动汽车开发，随之配套的电池管理系统也渐渐崭露头角，如比亚迪的E6电池管理系统，奇瑞S18电池管理系统，长安奔奔I电池管理系统等，各主机厂纷纷拿出自己的技术产品与技术平台抢占市场，但由于时间的紧迫性以及功能的单一性，造成了国内电池管理系统的智能性不强，集成度低，产品能支持示范车型配套，但尚未达到产业化程度；实际运行过程中，部分核心功能，例如充放电电压差异均衡、SOC估算还无法达到设计要求，与国外的电池管理系统存在着一定的差距，如德国的MINI-E和日本的Leaf达到了充电均衡差异5-10mV的水平，国内产品的相同指标大多维持在20-25mV左右，日本的日产Leaf剩余电量估计精度最高，为2%，我国产品普遍在8%左右。
