一、前 言

        電動汽車的應(yīng)用有效地解決了能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的問題。電動汽車的應(yīng)用前景廣闊。但電動汽車尤其純電動汽車的應(yīng)用遇到了動力電池的難題，電池的問題體現(xiàn)在兩個方面。其一是動力電池比能量不高，影響電動汽車?yán)m(xù)駛里程的要求，價格太高直接影響電動汽車的初始成本；其二是電池的性能差，使用壽命低影響電動汽車的使用成本。

電動汽車用的電池使用中其性能發(fā)揮得如何，除與電池模塊自身性能有關(guān)外，與其應(yīng)用的電池能量管理系統(tǒng)的功能有著密切的關(guān)系，尤其是電池模塊質(zhì)量不太理想的條件下，應(yīng)用功能完備的電池能量管理系統(tǒng)其作用就更加突出。借助電池能量管理系統(tǒng)的正常工作會使電池模塊的性能得以充分發(fā)揮，減少電池模塊故障，延長電池模塊的使用壽命，增加電動汽車的使用安全感。因此，電動汽車電池能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用備受電動汽車設(shè)計者和使用者的重視。

二、電動汽車電池能量管理系統(tǒng)的功能

        電動汽車，尤其是純電動汽車中的電池能量管理系統(tǒng)是該車的一種相當(dāng)重要的技術(shù)措施，可以稱為電動汽車電池的”保護(hù)神”，它起到了對電池性能的保護(hù)、防止個別電池的早期損壞、有利于電動汽車的運(yùn)行，并具有各種警告功能等^[1]。由于它參加電池箱內(nèi)電池模塊的監(jiān)控工作使電動汽車的運(yùn)行、充電等功能與電池的有關(guān)參數(shù)（電流、電壓、內(nèi)阻、容量）緊密相連和協(xié)調(diào)工作。它有計算，發(fā)出指令、執(zhí)行指令和提出警告的功能。各種電池模塊雖然有結(jié)構(gòu)和性能上的差異，但它們都具備一些相同或相似的功能。典型的電池能量管理系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

2.1  對能量的檢測功能

        電動汽車在行車過程中，該系統(tǒng)能隨時對車輛的能耗進(jìn)行計算，最終給出該電池箱內(nèi)電池模塊剩余的電池能量值，并通過剩余能量計將數(shù)據(jù)顯示出來，使駕駛?cè)藛T知道車輛的續(xù)駛里程,以便決定如何行駛.在能量允許的條件下使車輛行駛到具有充電功能的地方，補(bǔ)充電量防止半路拋錨。

2.2  對電池工作狀態(tài)的監(jiān)測與控制功能

        電池能量管理系統(tǒng)按電池箱內(nèi)安裝的傳感器提供的信號對電池進(jìn)行管理。一般情況下，電池箱內(nèi)有溫度傳感器及電壓、電流和內(nèi)阻的測量值。由于溫度的變化對其他參數(shù)都有影響，所以一般都以電池模塊的溫度來做為控制的指令信號，將測得的溫度值與事先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，決定對電池冷卻與否。

        電動汽車能源是很寶貴的，應(yīng)盡量采用節(jié)能元件，所以電池箱內(nèi)的冷卻風(fēng)扇一般都是采用分級參與工作。這樣能做到在保證電池性能的條件下盡量使用小排量的風(fēng)扇。當(dāng)?shù)谝患夛L(fēng)扇工作后尚不能達(dá)到要求的溫度時，第二級冷卻風(fēng)扇才參與工作，加強(qiáng)冷卻。此時電池箱內(nèi)的溫度如果還不能達(dá)到要求的工作條件，溫度繼續(xù)升高已達(dá)到影響電池模塊的正常工作條件，為保護(hù)電池模塊不受損壞，能量管理系統(tǒng)會發(fā)出停止電池模塊供電的指令，強(qiáng)行車輛停駛。當(dāng)電池在充電狀態(tài)下，能量管理系統(tǒng)會強(qiáng)令充電機(jī)停止充電而不損壞電池，由維修人員進(jìn)行檢測排除故障。

2.3  保證充電功能

        電池能量管理系統(tǒng)隨時參與整車檢測工作，檢測電池的工作狀態(tài)，尤其對每只電池的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢測分析，將檢測的數(shù)據(jù)在車輛停駛，充電之前”通知”充電機(jī)，即”車與機(jī)”的對話。告訴充電機(jī)，電池組的工作狀態(tài)及每只電池的技術(shù)狀態(tài)，”落后”電池和”先進(jìn)”電池性能差異。此時充電機(jī)應(yīng)當(dāng)采用什么樣的充電模式給電池充電，才能達(dá)到給電池充足，性能好的電池不能過充，而性能差的電池又能充足，保證整車能量的供應(yīng)。在放電過程中保證性能差的電池不能過放，這一點應(yīng)當(dāng)是電池能量管理系統(tǒng)最重要的功能之一。

2.4  DC——DC、DC——AC轉(zhuǎn)換功能

        如果車輛安裝輔助電池，電池能量管理系統(tǒng)應(yīng)能控制動力電池隨時給輔助電池模塊充電，保證輔助電池模塊的供電功能即DC——DC的轉(zhuǎn)換功能，保證低壓系統(tǒng)的正常工作。

當(dāng)應(yīng)用異步電機(jī)時，電池能量管理系統(tǒng)尚有DC——AC的轉(zhuǎn)換功能保證電動汽車的正常運(yùn)行。

2.5  解決性能一致性的保護(hù)功能

        如果在電池箱的線路內(nèi)裝置了由于電池性能一致性偏差引起某個電池性能變化很大，達(dá)到影響系統(tǒng)工作，或該電池受到損壞威脅時，兩個電池之間有旁通線路并有控制模塊時，電池管理系統(tǒng)應(yīng)指令模塊功能啟動，進(jìn)行補(bǔ)償，又能保證系統(tǒng)在偏低電壓狀態(tài)下維持工作以便維修。

2.6  對電池模塊的冷卻和排除充電時產(chǎn)生的氫氣

         電池箱內(nèi)的冷卻風(fēng)扇有兩種功能，其一是電池模塊的冷卻，尤其是充電過程中參與工作的必要性，其二是將電池模塊充電過程中排出的氫氣排除電池箱外，防止氫氣聚集引起爆炸的可能性。

2.7  監(jiān)測記錄控制功能

        在電池工作狀態(tài)下（充、放電）對電池模塊的工作性能、安全性能進(jìn)行監(jiān)測，并對有關(guān)參數(shù)做記錄，內(nèi)存或進(jìn)行提示、警告或指令停車、停機(jī)（充電），即對過壓、過流、欠壓、絕緣等提出警示、警告與控制功能。

三、使用電池能量管理系統(tǒng)必備的條件

        電池能量管理系統(tǒng)是對電池箱內(nèi)電池模塊的工作進(jìn)行管理，我們認(rèn)為電池能量管理系統(tǒng)并非一種專用儀表而是一個系統(tǒng)，也不是什么樣的電池箱都能應(yīng)用電池能量管理系統(tǒng)，它應(yīng)具備一定的條件才能發(fā)揮其功能，否則會帶來不可預(yù)見的后果。

3.1  電池模塊方面的要求

3.1.1  電池模塊應(yīng)具備足夠的使用壽命、可靠性和工作的穩(wěn)定性

        大家都知道汽車是一種設(shè)計很緊湊的機(jī)-電——體化的產(chǎn)品。電動汽車的緊湊性更加突出、電動汽車給安裝電池箱留有的空間有限，有時會造成接近性很差，加上電池質(zhì)量很大，拆-卸很不方便，不能隨時進(jìn)行拆卸。所以要求應(yīng)用的電池具有極好的使用壽命和可靠性，使其減少維護(hù)的頻次、減少拆卸電池的次數(shù)給安裝電池能量管理系統(tǒng)創(chuàng)造條件。

電池能量管理系統(tǒng)一個重要的功能是對剩余能量的計算，如應(yīng)用的電池性能不穩(wěn)定、可靠性很差，電池模塊在工作中的性能難于進(jìn)行SOC的估算，另外各種變化條件（溫度、濕度、放電條件等）對電池模塊的影響都造成對SOC影響，所以從剩余能量估算角度分析要求電池模塊的性能要穩(wěn)定。

3.1.2  電池應(yīng)當(dāng)是免維護(hù)電池

        電池應(yīng)當(dāng)是免維護(hù)的或維護(hù)周期長的少維護(hù)電池。否則的話在電動汽車上不能應(yīng)用。原因除第一點談到的以外，如果應(yīng)用于開口電池除加液費(fèi)時，工作量大以外，工作時電解液的外溢、外滲對周圍環(huán)境污染嚴(yán)重，影響環(huán)境，有時會破壞電動汽車整車的電絕緣限值，影響車輛的使用壽命和使用安全。

3.1.3  電池充電后期排出的氣體應(yīng)能得到控制

        電池充電后期排出的氣體（以氫為主）應(yīng)能得到控制并能集中處理以保證工作安全。各種電池排出的氣體在電池箱內(nèi)是一種不安全的因素，不能集存，必須排除。一般有兩種處理辦法：

（1）是將每只電池的排氣系統(tǒng)串聯(lián)起來，集中排除電池箱外而擴(kuò)散至安全處；

（2）是在箱內(nèi)用強(qiáng)制的氣流加以驅(qū)趕排除電池箱外。

3.1.4  電池性能的一致性達(dá)到控制要求

        電池能量管理的控制參數(shù)是由電池箱參與工作的電池模塊采樣的，而控制參數(shù)并非每個電池都要采樣，否則參數(shù)量很大，不便管理，難于安裝。一般都在電池箱內(nèi)不同區(qū)域里采取最有代表性的電池模塊，某些性能參數(shù)（比如溫度）作為控制參數(shù)，在經(jīng)過計算對比后發(fā)布控制執(zhí)行指令，執(zhí)行各種控制功能，所以說被選擇采樣電池模塊的性能參數(shù)量值上應(yīng)能代表其他沒被采樣電池模塊的性能，否則的話，它就失去代表的意義。這時發(fā)出的指令不具備合理性，達(dá)不到對電池箱內(nèi)電池模塊的能量管理的目的。比如電池箱中電池模塊間的性能差異較大，每個電池模塊都不具備代表整箱電池模塊性能就難以取得可信的控制參數(shù)。所以說，用于電池能量管理的電池模塊其性能間的差異，即電池模塊的間性能一致性差異必須在一定的范圍之內(nèi)，這樣用哪一個電池模塊作為采樣電池都具備條件，都具有代表性。

3.2  電池模塊用的電池箱

3.2.1  電池箱的要求

        為達(dá)到對電池進(jìn)行能量管理的目的，電池模塊必須裝在一個箱內(nèi)，該箱應(yīng)具備一定條件：

（1）電池箱必須是密封的。除必需的通風(fēng)孔外均不能與大氣相通。密封箱內(nèi)的要求主要考慮電池冷卻氣流的流動問題，不許在某處泄漏，避免冷卻氣流的流動性差造成電池模塊工作溫度的不一致，從而導(dǎo)致性能的一致性進(jìn)一步的惡化。

（2）電池箱形狀應(yīng)達(dá)到與電池模塊布置形狀相適應(yīng)。當(dāng)冷卻系統(tǒng)工作時，冷卻風(fēng)扇提供的冷卻氣流能均勻地流過每個電池模塊周圍，箱內(nèi)不能形成氣流的”死區(qū)”和渦流的存在，保證電池模塊工作過程中溫度均勻、性能一致，防止個別電池模塊早期損壞。

（3）電池箱應(yīng)做到內(nèi)部與電池的絕緣，外部與車身的絕緣，防止電池與車身絕緣電阻低下而影響系統(tǒng)工作，發(fā)生不安全事故。

（4）在電池模塊安裝條件下盡量減少電池模塊自行放電的條件。

3.2.2  冷卻風(fēng)扇空氣進(jìn)口的選擇

        電池能量管理系統(tǒng)，無論在充電或放電過程中它都存在工作的可能性，即它應(yīng)具備全天候工作的條件。所以電池能量管理系統(tǒng)冷卻空氣進(jìn)口的選擇就十分重要。它要保證進(jìn)入電池箱內(nèi)的空氣是清潔的即要求防塵和防雨水進(jìn)入電池箱內(nèi)。如果防塵和防雨措施做得不好，會有灰塵臟物和雨水進(jìn)入電池箱內(nèi)，這樣會造成電池模塊間的爬電，自放電量的增加，電池箱與車身絕緣阻值的下降，嚴(yán)重時會造成電池模塊的短路，這是很危險的。此時管理系統(tǒng)會發(fā)出指令，停止車輛行駛或停止充電，而影響車輛的運(yùn)行。實際應(yīng)用也說明了這一點能量管理系統(tǒng)冷卻空氣進(jìn)口位置的選擇十分重要，具體選在何處應(yīng)由汽車設(shè)計者根據(jù)整車的總布置來決定。

3.2.3  排氣口的選擇

        電池箱排氣口的選擇十分重要，排氣口位置的選擇正常與否會影響電池箱內(nèi)冷卻風(fēng)扇的工作性能，選擇得正確會有助于冷卻風(fēng)扇的工作。如何利用汽車前進(jìn)時在電池箱某部造成的，負(fù)壓區(qū)，加速電池箱內(nèi)氣體的排除也是值得考慮的一個問題。

3.2.4  電池冷卻空氣的提供方式（吸風(fēng)或排風(fēng)）的選擇

       電動汽車動力電池的冷卻一般采用風(fēng)冷的形式較多，其他冷卻方式由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或成本高應(yīng)用的較少。所以此處著重討論風(fēng)冷方式的冷卻空氣如何提供的問題，即采用吸風(fēng)式還是排風(fēng)式為宜。關(guān)于選用哪種供風(fēng)方式，要與電池結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來分析。

（1）排風(fēng)式：電動汽車電池箱內(nèi)對電池進(jìn)行冷卻的氣體提供方式以排氣的方式占絕大多數(shù)，這是因為電池在充電過程中要排出一定量的氣體（多數(shù)為氫氣），這些氣體要與進(jìn)入電池箱內(nèi)的冷卻氣體混合排除到箱外。上面已談過這種氣體的處理方式有兩種，即集中引出箱外或由冷卻空氣帶出箱外。如果為后者，必須采用排氣的方式，否則的話這種易燃?xì)怏w通過電風(fēng)扇的攪動后流出箱外很危險，此時應(yīng)當(dāng)采用防爆電機(jī)來推動冷卻風(fēng)扇，即使采用防爆電機(jī)也不應(yīng)當(dāng)應(yīng)用這種供氣方式以防不測。

（2）吸風(fēng)方式：上面提到如果電池內(nèi)的排除氣體由管路集中引出箱外，且管路間的密封可靠從布置上考慮可以用吸風(fēng)式對電池箱提供冷卻空氣。如果總布置允許用排氣方式從安全考慮最好采用排風(fēng)方式為好。

3.2.5  充電條件下對電池模塊的冷卻

         電動汽車尤其是純電動汽車的電能補(bǔ)充都是在汽車停駛時依賴外源進(jìn)行充電。從蓄電池的工作狀態(tài)來分析其放熱量最大的時候是充電狀態(tài)下而不是放電狀態(tài)下，充電時往往要求對電池模塊加強(qiáng)冷卻，這時一般都是汽車停駛狀態(tài)。汽車停駛時一般汽車儀表用輔助電源均處于停電狀態(tài)下，而此時的電池管理系統(tǒng)須供電使其具有指令的功能，保證電池模塊的冷卻條件，有的電動汽車忽略這一點，在停車時輔助電源由鑰匙開關(guān)控制，全部停止供電是不行的，電池管理系統(tǒng)的電源應(yīng)當(dāng)處于常閉狀態(tài)，電動汽車停駛時也應(yīng)有電源供應(yīng)，保證管理系統(tǒng)的正常工作。

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