動(dòng)力電池管理系統設計概述

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越多，在尋求對高能量密度、高安全性的電池之外，電池能量管理系統的重要性也日益提高。不同的動(dòng)力電池具有不同的性質(zhì)，即使是同一類(lèi)型的電池性質(zhì)也存在不一致性，在使用過(guò)程中會(huì )出現擴大化造成事故的可能發(fā)生。因此對動(dòng)力電池系統進(jìn)行有效的管理用以確保電動(dòng)汽車(chē)的安全顯得十分重要，同時(shí)也需要保證電池系統的性能、延長(cháng)電池壽命、提高電池使用效率。

電池管理系統構成及原理

電池管理系統(BMS)，即Battery Management System，通過(guò)檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來(lái)確定整個(gè)電池系統的狀態(tài)，并根據它們的狀態(tài)對動(dòng)力電池系統進(jìn)行對應的控制調整和策略實(shí)施，實(shí)現對動(dòng)力電池系統及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統安全穩定地運行。

一種典型的電池管理系統拓撲圖

一種典型電池管理系統拓撲圖結構主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來(lái)說(shuō)，由中央處理單元(主控模塊)、數據采集模塊、數據檢測模塊、顯示單元模塊、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等構成。一般通過(guò)采用內部CAN總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現模塊之間的數據信息通訊。

基于各個(gè)模塊的功能，BMS能實(shí)時(shí)檢測動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等參數，實(shí)現對動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測等，并且能夠計算動(dòng)力電池剩余容量、充放電功率以及SOCSOH狀態(tài)。

電池管理系統的基本功能

電池管理系統的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。具體來(lái)看，包括數據采集、狀態(tài)監測、均衡控制、熱管理、安全保護等功能。

(一)數據采集

作為電池管理系統中其他功能的基礎與前提，數據采集的精度和速度能夠反映電池管理系統的優(yōu)劣。管理系統的其他功能比如SOC狀態(tài)分析、均衡管理、熱管理功能等都是以采集獲取的數據為基礎進(jìn)行分析及處理的。

數據采集的對象一般為電壓、電流、溫度。在實(shí)際使用過(guò)程中，電池在不同溫度下的電化學(xué)性能不同，導致電池所放出的能量是不同的。鋰離子動(dòng)力電池對電壓和溫度比較敏感，因此在對電池的SOC進(jìn)行評估時(shí)必須考慮溫度的影響。

(二)狀態(tài)分析

對電池狀態(tài)的分析主要是電池剩余電量及電池老化程度這兩個(gè)方面，即SOC評估和SOH評估。SOC能夠讓駕駛員獲得直接的信息，了解到剩余的電量對續航里程的影響?，F階段的研究很多都集中在對SOC分析上，不斷加強其精確度。SOC的分析會(huì )受到SOH的影響，電池的SOH在使用過(guò)程中受到溫度、電流等持續影響而需要不斷進(jìn)行分析，以確保SOC分析的準確性。

在對SOC的分析上，主要有電荷計量法、開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法和模糊邏輯法等。在這簡(jiǎn)單介紹電荷計量法和開(kāi)路電壓法這兩種方法。

(1)電荷計量法

電荷計量法是通過(guò)對一段時(shí)間內電池充入放出的電荷進(jìn)行統計，即電流在時(shí)間上的累積來(lái)計算得到SOC。雖然是最常用的一種計量方法，然而會(huì )受到很多因素的影響包括數據采用精度、自放電問(wèn)題等。比如由于電流傳感器采用精度的不足，用于積分計算的電流與真實(shí)值之間存在誤差，使得SOC的結果偏差越來(lái)越大。所以在采用電荷計量法時(shí)需要用到一些修正算法對各種影響因素進(jìn)行校正，減少計算分析結果的誤差。

(2)開(kāi)路電壓法

開(kāi)路電壓法是在電池處于靜置狀態(tài)下對電池的開(kāi)路電壓測量來(lái)計算電池的SOC。但需要注意的是采用開(kāi)路電壓法時(shí)一般認為SOC與電動(dòng)勢有一定的線(xiàn)性關(guān)系，任意一個(gè)SOC值都只對應一個(gè)電動(dòng)勢值。在采用開(kāi)路電壓法必須要考慮到電壓回彈效應，在電壓沒(méi)有回彈到穩定值時(shí)計算得到的SOC會(huì )偏小。與電荷計量法相比較，開(kāi)路電壓法在電池正常工作時(shí)不能使用，這是它最大的問(wèn)題。

其實(shí)現階段要對SOC進(jìn)行十分精確的測量存在很大的困難，比如由于傳感器精度和電磁干擾引起采樣數據的不準確帶來(lái)狀態(tài)分析的偏差。另外，電池的不一致性、歷史數據、使用工況的不明確性也對SOC的計算帶來(lái)很大的影響。

(三)均衡控制

由于生產(chǎn)制造和工作環(huán)境的影響會(huì )造成電池單體的不一致性，在電壓、容量、內阻等性質(zhì)上出現差別，導致每個(gè)單體電池在實(shí)際使用過(guò)程中有效容量和充放電電量是不一樣的。因此為保證電池系統的整體性能和延長(cháng)使用壽命，為減少單體電池之間的差異性而對電池進(jìn)行均衡控制是十分必要的。

均衡管理有助于電池容量的保持和放電深度的控制。如果沒(méi)有對電池進(jìn)行均衡控制，由于電池管理系統的保護功能設置，就會(huì )出現某個(gè)電池單體充滿(mǎn)電時(shí)其他電池單體沒(méi)有充滿(mǎn)或者某個(gè)最小電量的單體電池放電截止時(shí)其他電池還沒(méi)有達到放電截止限制的現象。一旦電池出現過(guò)充或者過(guò)放，電池內部會(huì )發(fā)生一些不可逆的化學(xué)反應導致電池的性質(zhì)受到影響，從而影響電池的使用壽命。

按照均衡管理中的電路結構和控制方式這兩個(gè)方面來(lái)歸納，前者分為集中式均衡和分布式均衡，后者分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。集中式均衡是指電池組內所有的電池單體共用一個(gè)均衡器來(lái)進(jìn)行均衡控制，而分布式均衡是一個(gè)或若干個(gè)電池單體專(zhuān)用一個(gè)均衡器。前者通信簡(jiǎn)單直接，進(jìn)行均衡速度快。但電池單體與均衡器之間的線(xiàn)束排布復雜，不適合單體數量多的電池系統。后者能夠解決前者線(xiàn)束方面的問(wèn)題，缺點(diǎn)是成本高。

主動(dòng)均衡又稱(chēng)非耗散型均衡，形象說(shuō)就是進(jìn)行電池單體之間的能量轉移。將能量高的電池單體中的能量轉移到能量低的單體上以達到能量均衡目的。被動(dòng)式則是耗散型均衡，利用并聯(lián)電阻等方式將能量高的單體中能量消耗至與其他單體均衡的狀態(tài)。主動(dòng)式均衡效率高、能量轉移而不是被消耗，但結構復雜帶來(lái)成本的上升。

(四)熱管理

電池系統在不同運行工況下由于其自身有一定的內阻，在輸出功率、電能的同時(shí)產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)生熱量累積使電池溫度升高，空間布置的不同使得各處電池溫度并不一致。當電池溫度超出其正常工作溫度區間時(shí)，必須限功率工作，否則會(huì )影響電池的壽命。為了保證電池系統的電性能和壽命，動(dòng)力電池系統一般設計具有熱管理系統。電池熱管理系統是用來(lái)確保電池系統工作在適宜溫度范圍內的一套管理系統，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監測設備等部件構成。

電池管理系統在熱管理上的主要功能是對電池溫度進(jìn)行準確地測量和監控，在電池組溫度過(guò)高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)用以保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。在低溫的條件下，能夠進(jìn)行快速加熱使電池組達到能夠正常工作的環(huán)境。

(五)安全保護

安全保護作為整個(gè)電池管理系統最重要的功能，是基于前面四個(gè)功能而進(jìn)行的。主要包括過(guò)電流保護、過(guò)充過(guò)放保護、過(guò)溫保護和絕緣監測。

(1)過(guò)電流保護

由于電池都具備一定的內阻，當電池在工作時(shí)電流過(guò)大會(huì )造成電池內部發(fā)熱，熱量積累增加造成電池溫度上升，從而導致電池的熱穩定性下降。對于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，正負極材料的脫嵌鋰離子能力是一定的，當充放電電流大于其的脫嵌能力時(shí)，將導致電池的極化電壓增加，導致電池的實(shí)際容量減小影響電池使用壽命，嚴重時(shí)會(huì )影響電池的安全性。電池管理系統會(huì )判斷電流值是否超過(guò)安全范圍，一旦超過(guò)則會(huì )采取相應的安全保護措施。

(2)過(guò)充過(guò)放保護

在充電過(guò)程中，充電電壓超過(guò)電池截止充電電壓時(shí)，將會(huì )引起正極晶格結構被破壞，導致電池容量變小。并且電壓過(guò)高時(shí)會(huì )進(jìn)而造成正負極短路發(fā)生爆炸的隱患。過(guò)充電是被嚴格禁止的。BMS會(huì )檢測系統中單體電池的電壓，當電壓超過(guò)充電限制電壓時(shí)，BMS會(huì )斷開(kāi)充電回路從而保護電池系統。

在放電過(guò)程中，放電電壓低于電池放電截止電壓時(shí)，電池負極上的金屬集流體將被溶解，給電池造成不可逆的損害。給過(guò)度放電的電池充電時(shí)會(huì )有內部短路或者漏液的可能。當電壓超過(guò)放電限制電壓時(shí)，BMS會(huì )斷開(kāi)放電回路從而保護電池系統。

(3)過(guò)溫保護

對于過(guò)溫保護，需要結合上面的熱管理功能進(jìn)行。電池活性在不同溫度下有所不同。長(cháng)時(shí)間處在高溫環(huán)境下，電池材料的結構穩定性會(huì )變差縮短電池使用壽命。低溫下電池活性受限會(huì )造成可用容量減小，尤其是充電容量將變得很低，同時(shí)可能產(chǎn)生安全隱患。電池管理系統能夠在電池溫度超過(guò)高溫限制值或是低于低溫限制值時(shí)，均會(huì )禁止進(jìn)行充放電。

(4)絕緣監測

絕緣監測功能也是保證電池系統安全的重要功能之一。電池系統電壓通常有幾百伏，一旦出現漏電將會(huì )對人員形成危險， 所以絕緣監測功能就顯得相當重要。BMS會(huì )實(shí)時(shí)監測總正和總負對車(chē)身搭鐵的絕緣阻值，如果出現絕緣阻值低于安全范圍，則會(huì )上報故障并斷開(kāi)高壓電。

系統設計及技術(shù)要求

在進(jìn)行電池管理系統設計時(shí)，前期首先需要根據整車(chē)的設計要求確定BMS的功能，然后確定其拓撲結構，之后是主要工作內容的軟硬件設計，在完成以上基本工作之后要進(jìn)行BMS單元測試及動(dòng)力電池組整體測試。在進(jìn)行軟硬件設計之前，單體電池的充放電、容量、電阻等特性都需要進(jìn)行測試以便更好進(jìn)行保護電路設計、算法設計等。

進(jìn)行硬件設計時(shí)要結合軟件算法的需求，在電路板開(kāi)發(fā)及元器件設計上需要注意耐壓絕緣、抗電磁干擾、電磁兼容、通信隔離和通風(fēng)散熱等。一般的軟件設計功能包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統自檢功能、系統檢測功能、充電管理、熱管理等。

相關(guān)硬件設計則對軟件設計的功能提供支持，比如MCU模塊用來(lái)采集、分析數據、收發(fā)控制信號;電流檢測模塊則是采集電池組充放電過(guò)程中的充放電電流。

總結

作為電動(dòng)汽車(chē)的核心——動(dòng)力電池系統的管理技術(shù)，電池管理系統在很多功能方面仍存在不足。在電動(dòng)汽車(chē)蓬勃發(fā)展的當下，可以通過(guò)大量數據和技術(shù)的積累對電池管理系統的功能進(jìn)行不斷完善。實(shí)現完備功能的電池管理系統設計需要各方的不斷努力，包括優(yōu)化硬件設計、提高軟件的自適應性和實(shí)現低功耗設計。