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谈需要改进的中国纯电动汽车设计
来源:本站整理  作者:佚名  2013-06-30 08:39:22


9动力蓄电池组的管理系统BMS
9.1有机电解液锂离子蓄电池组的管理系统BMS
    在动力蓄电池组总成内部必须设置蓄电池组管理系统BMS,防止各电芯、电堆过充电和防止碰撞时发生短路,如图28所示。

    在液态电解质锂离子蓄电池组实际使用过程中,可能在某些意外的情况下,如受到外部冲击等各种原因,造成上述保护控制管理系统BMS损坏,导致电芯充电电压过高(或放电电压过低),于是剩余的一部分锂离子就会从正极经电解质、在负极表面以金属锂形成沉积。而金属锂的表面欠电位沉积,极易形成“枝晶”,从而刺穿隔膜,造成正负极在电芯内短路,使电源系统产生数十安培的短路电流,这会引起起火爆炸等安全事故。其次,由于电源系统的某元件出现故障,例如某电芯温度局部过高或者壳体破损接触空气,造成电源系统电流超过十数安培的过电流,金属锂又非常活泼,熔点也低,这就非常危险,易于导致发生安全事故。所以在动力蓄电池组内部必须设置过电流保护和短路保护系统,避免整个电池组损坏、失效。

9.2全固体锂离子蓄电池组BMS

    全固体锂离子蓄电池组的电芯结构中已不含有隔膜。现以三菱i-MiEV牌纯电动汽车为例,为防止碰撞时发生电池内部短路,设置可检测电池电芯电压与温度的电芯监测单元CMU (Cell Monitor Unit),并监控由多个电芯串联所构成电堆的电压与电流和各平衡电芯之间的电压,CMU直接安装在由8个电芯构成的模块上,如图29所示。

    CMU的基板由带电压传感器的高电压部分和顶部装有通信部件的低电压部分构成,中间使用绝缘元件传递信息,如图30所示。

    每辆车有数个CMU,它们可通过控制器局域网CAN通信、对电池组管理控制单元BMU传递信息数据。电池组的信息数据传输全部由低压配线完成,即使车辆遭受过度冲击,系统受到损伤,系统也能实现防止发烟和着火。

    一旦电池处于过充电状态,就可能发烟、着火,所以掌握充电状态就成为提高电池组安全、可靠性的重要手段。由CMU通过CAN通信向BMU传递电压信息,如果通信中断和发生不可预见故障,在通信数据“凝固”的情况下,要求系统仍能不过充电,如图31所示。

    由多个CMU传来的电压信息数据,它们带有来自各CMU的ID编码数据,定期地发送到BMU,接收上述电压数据的BMU,不断监视所收到的电压数据,不得漏掉ID。如果超过一定的时间,还没有接收到本应接收到的ID编码数据,则可判定通信线路已中断,必须立即停止向高压电力系统通电,并接通警示装置(图31)。

    在电池组或电堆均由电芯串联构成的情况下,充电时,所有电芯均流过同等电流,所以监视有代表性的电芯电压,就等于监视了其他电芯的充电状态。不过在这种情况下,要求各电芯处于同样充电状态,要求全电池组充电电源波形平滑化。在三菱i-MiEV纯电动汽车中,某个CMU内实装的电芯具有电压平滑化的机能,假如某个CMU的电压数据“凝固”,那么根据其他CMU的电压数据进行控制充电,也可确保防止过充电,这种由数个CMU构成的系统即使发生局部数据“凝固”,仍可防止“过充电”。

    特别是当所有由CMU传递的数据均处于“凝固”状态的情况下,通过检测其他高电压部件的总电压,也可检测出系统处于过电压状态,从而停止充电,并接通警示装置。

    由于具有上述二重、三重保护,所以三菱i-MiEV纯电动汽车的动力蓄电池组管理系统具有防过充电的“顽强性”。

    此外,必须强调的是,在高共模电压和高达200 A的电子开关瞬变的情况下,电池组管理系统(BMS)可对不同的电芯进行精确测量。系统的精度必须达到mV级,采样必须在严格的延迟时间范围内保持同步。采样速度和精度都会影响整个系统的效率。

    三菱i-MiEV牌纯电动汽车的动力蓄电池组的管理系统图如图32所示。

    日产叶子Leaf牌纯电动汽车的动力蓄电池也为全固体锂离子蓄电池,其动力蓄电池组的管理系统BMS具有的功能如下:①对电池组的下述参数连续进行监控:每个电芯的电压,充电状态SOC,蓄电池温度,蓄电池组硬件条件;②为BMS优化提供电力需求的条件(蓄电池组按车辆工况所需提供功率并使其最佳化);③蓄电池组管理系统BMS对意外情况的响应,根据安全模式或在下述情况下完全关闭:过充电,温度过高,电芯损坏,碰撞。

9.3可靠性要求
    可靠性是电动汽车品质的关键要求之一。BMS系统一方面必须提供安全机制,以便检测蓄电池组的电芯、电堆、线束、监控电路和通信总线等的故障。另一方面,为确保电力系统的安全性,还要设置主监控器和备用监控器,为电力系统提供冗余性能—双保险!此外,数据保护机制也有助于进行错误检测。尽可能降低断开高压电路的功耗,还要求BMS具备较低功耗以减少对电池电量的消耗,同时避免加剧电池各电芯的不平衡。

10纯电动汽车各种标准与法规
    整车和电池组以及电堆必须能承担各类危险,必须满足全球目标市场国家所发布的与汽车相关的各种标准与法规。
    目前除日本汽车公司有两款真正意义上的量产纯电动汽车(三菱公司的iMiEV和日产公司的Leaf)在市场销售外,其他品牌只是试验或试销品。在美国和日本各自的纯电动汽车保有量都不超过3万辆,所以技术和市场远不成熟。
    制定电动车辆安全标准等国际标准的联合国专门机构“世界车辆法规协调论坛(WP29 )”的碰撞安全工作组GRSP目前已基本确定采用日本标准。基本照搬了2007年11月日本国土交通省发布的日本电动汽车的安全标准。这也就是本文以日本开发的纯电动汽车为“样板车”来说明和解释问题的根本原因。

    日产公司为能尽早在世界各地销售其产品,它们所采用的品质对策就是广纳博收全球各国的标准和法规,相互取长补短。如美国对于碰撞安全的法规和标准就更完善一些,而日本则在车辆高压电防护方面更为周全,至于欧洲则对车身轻量化和电器电工材料绝缘等级的掌握更胜一筹,并对车辆的其他各类标准的制订也更为精准。这就是为什么日产在开发Leaf时,从整车到蓄电池组、电堆均按满足全球各目标市场国家的标准和法规要求进行,要求能应对机械、电学和热学各方面的危险事件,而不是醉心“以日本为主”,见图33。

当代汽车安全的要求,已从主、被动安全演变到安全性预测。安全性预测在国外已经非常成熟。2011年11月国际标准化组织已正式颁布实施了国际标准ISO 26262《道路车辆一功能安全》。该标准主要定位在特定的电气器件、电子设备、可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件,是提高汽车电子、电气产品功能安全的国际标准。目前电动汽车设计中的一个大难题是如何预先评估潜在的危害和风险,并且采取适当措施减低这些风险。国际标准IS026262规定了汽车开发中要进行“危害和风险分析”。

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