新能源汽車(chē)BMS系統結構及關(guān)鍵技術(shù)解析

傳統能源和短缺以及對環(huán)境保護的客觀(guān)要求下，新能源汽車(chē)成為了未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向。最近幾年新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展軌道，2015年全球新能源汽車(chē)達到50萬(wàn)臺銷(xiāo)量，其中中國銷(xiāo)售出33萬(wàn)臺。在新能源汽車(chē)的快速發(fā)展過(guò)程中，電池管理系統（BMS）作為核心的技術(shù)發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。

新能源汽車(chē)為什么需要BMS？

鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和方型。電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成。正極包括由鈷酸鋰（或鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等）。負極材料多采用石墨。以后鈦酸鹽可能是更好的材料。

鋰電芯的內部構照圖

通俗的說(shuō)就是鋰離子在充放電的過(guò)程中通過(guò)電解液穿過(guò)隔膜不停的在正負兩極之間來(lái)回搬家，鋰離子的質(zhì)量好壞，就取決于來(lái)回搬家的數量，多了少了都不行，控制的好，就可以反復充電下去而不減少容量，否則就會(huì )讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降，甚至爆炸。

還有每個(gè)電芯，每一批電芯制造過(guò)程中，工藝上的問(wèn)題和材質(zhì)的不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率、連條、隔板等存在很微小的差別導致內部結構和材質(zhì)上的不完全一致性。

實(shí)際使用中，電池組中各個(gè)電池的電解液密度、溫度和通風(fēng)條件、自放電程度及充放電過(guò)程等差別的影響。造成同一類(lèi)型、規格的電池在電壓、內阻、容量等方面的參數值存在差別，使其在電動(dòng)汽車(chē)上使用時(shí)，性能指標往往達不到單體電池的原有水平，嚴重影響其在電動(dòng)汽車(chē)上的應用。

電池組都是通過(guò)串并聯(lián)組成的，串聯(lián)就好比一行人排成一列隊形，如果其中一個(gè)人走的慢就會(huì )影響整個(gè)隊伍，其中一個(gè)電芯性能下降就會(huì )影響整個(gè)電池組的性能，嚴重的造成整體更換。

鋰電池單體如果過(guò)大，使用過(guò)程中容易產(chǎn)生高溫，不利于安全，大容量電池必須通過(guò)串并聯(lián)的方式形成電池組。而每個(gè)單體電池本身不可能做到性能一致，再加上使用環(huán)境的影響，均會(huì )造成電池壽命的差別，大大影響整個(gè)電池組的壽命和性能。

所以鋰電池需要BMS（Battery Management System）嚴格控制充放電過(guò)程，避免過(guò)充，過(guò)放，過(guò)熱。延長(cháng)電池組的使用壽命，并發(fā)揮最大的效能。

新能源汽車(chē)的電池包與BMS

我們知道電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池是由幾千個(gè)小電芯組成的，電池包的組成主要包括電芯、模塊、電氣系統、熱管理系統、箱體和BMS。

新能源汽車(chē)電池包

電池包是新能源汽車(chē)核心部件，為整車(chē)提供驅動(dòng)電能，它主要通過(guò)金屬材質(zhì)的殼體包裹構成電池包保護主體。電芯通過(guò)模塊化的結構設計實(shí)現了電芯的集成，并且包括電芯的散熱硬件，散熱系統設計的好壞是BMS實(shí)現優(yōu)良管理的前提，這也是個(gè)家廠(chǎng)商技術(shù)先進(jìn)與否的重要體現。通過(guò)熱管理設計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線(xiàn)束實(shí)現了控制系統對電池的安全保護及連接路徑；通過(guò)BMS實(shí)現對電芯的管理，以及與整車(chē)的通訊及信息交換。

一個(gè)完整的電池包系統

BMS的原理及系統框圖

電池管理系統（英語(yǔ)：Battery Management System，縮寫(xiě)BMS）是對電池進(jìn)行管理的系統，通常具有量測電池電壓的功能，防止或避免電池過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)溫等異常狀況出現。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)逐漸增加許多功能。

電池管理系統與電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池緊密結合在一起，通過(guò)傳感器對電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量（SOC）、放電功率，報告電池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）狀態(tài)，還根據電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程，以及用算法控制充電機進(jìn)行最佳電流的充電，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口與車(chē)載總控制器、電機控制器、能量控制系統、車(chē)載顯示系統等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

BMS系統框圖

BMS 整體功能

電池管理系統（BMS）的功能應當包括電池基本保護功能、電池均衡功能、電 池儲備能量測算功能和網(wǎng)絡(luò )通信功能。

BMS 中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展

SOC估計

即準確估計電池剩余電量，保證 SOC 維持在合理的范圍內，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對電池的損傷，從而隨時(shí)預報混合動(dòng)力汽車(chē)儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。

SOC的估算精度高，對于相同量的電池，可以有更高的續航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。

SOC是依據監測的外部特性信息計算出來(lái)的傳輸信息。SOC告知車(chē)主當前電量的同時(shí)，也讓汽車(chē)了解自身電量，防止過(guò)充過(guò)放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統底層內部都是經(jīng)過(guò)復雜的算法計算，保證汽車(chē)安全持續穩定運行，提高安全性。因此精確估算SOC數值變得非常重要，其算法是相關(guān)企業(yè)的核心競爭力之一。

均衡控制

保證電池單體的參數一致性，即為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達到均衡一致的狀態(tài)。均衡控制分為主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡。

主動(dòng)均衡是對電池組在充電、放電或者放置過(guò)程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進(jìn)行均衡，來(lái)消除電池內部產(chǎn)生的各種不一致性。而在這一過(guò)程中，涉及到能量的轉移，能量轉移一般有兩種方法，一種是將能量高的單體電池能量均衡到能量低的電池，另一種是將電壓（容量）高的單體電池的能量轉移給一個(gè)備用電池，再由備用電池轉移到其它電壓（容量）較低的電池。

在傳統能耗型BMS系統中，均衡方式主要以被動(dòng)均衡為主，采用單體電池并聯(lián)分流能耗電阻的方式，且只能在充電過(guò)程中做均衡工作。其工作原理是通過(guò)對電壓的采集，發(fā)現串聯(lián)單體電池之間的差異，以設定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內電池差異時(shí)，即對電池組內單體電壓最高的那只電池，通過(guò)并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電電流，以此類(lèi)推，一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個(gè)平衡周期。

主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡對比

熱管理

使電池工作在適當的溫度范圍內和降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異。熱管理主要包括確定電池最優(yōu)工作溫度范圍、電池熱場(chǎng)計算及溫度預測、傳熱介質(zhì)選擇、熱管理系統散熱結構設計和風(fēng)機預測穩點(diǎn)的選擇。

熱管理系統的關(guān)鍵技術(shù)有：

確定電池最有工作溫度范圍；

電池熱場(chǎng)計算及溫度預測；

傳熱介質(zhì)選擇；

熱管理系統散熱結構設計；

風(fēng)機與測溫點(diǎn)選擇。
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