新能源汽車BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)解析

傳統(tǒng)能源和短缺以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的客觀要求下，新能源汽車成為了未來汽車的發(fā)展方向。最近幾年新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展軌道，2015年全球新能源汽車達(dá)到50萬臺(tái)銷量，其中中國(guó)銷售出33萬臺(tái)。在新能源汽車的快速發(fā)展過程中，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為核心的技術(shù)發(fā)揮著舉足輕重的作用。

新能源汽車為什么需要BMS？

鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和方型。電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)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(fù)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(nèi)部構(gòu)照?qǐng)D

通俗的說就是鋰離子在充放電的過程中通過電解液穿過隔膜不停的在正負(fù)兩極之間來回搬家，鋰離子的質(zhì)量好壞，就取決于來回搬家的數(shù)量，多了少了都不行，控制的好，就可以反復(fù)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，每一批電芯制造過程中，工藝上的問題和材質(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(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)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程等差別的影響。造成同一類型、規(guī)格的電池在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)值存在差別，使其在電動(dòng)汽車上使用時(shí)，性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池的原有水平，嚴(yán)重影響其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。

電池組都是通過串并聯(lián)組成的，串聯(lián)就好比一行人排成一列隊(duì)形，如果其中一個(gè)人走的慢就會(huì)影響整個(gè)隊(duì)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(yán)重的造成整體更換。

鋰電池單體如果過大，使用過程中容易產(chǎn)生高溫，不利于安全，大容量電池必須通過串并聯(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(yán)格控制充放電過程，避免過充，過放，過熱。延長(zhǎng)電池組的使用壽命，并發(fā)揮最大的效能。

新能源汽車的電池包與BMS

我們知道電動(dòng)汽車動(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(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和BMS。

新能源汽車電池包

電池包是新能源汽車核心部件，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包裹構(gòu)成電池包保護(hù)主體。電芯通過模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，并且包括電芯的散熱硬件，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞是BMS實(shí)現(xiàn)優(yōu)良管理的前提，這也是個(gè)家廠商技術(shù)先進(jìn)與否的重要體現(xiàn)。通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。

一個(gè)完整的電池包系統(tǒng)

BMS的原理及系統(tǒng)框圖

電池管理系統(tǒng)（英語：Battery Management System，縮寫B(tài)MS）是對(duì)電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，通常具有量測(cè)電池電壓的功能，防止或避免電池過放電、過充電、過溫等異常狀況出現(xiàn)。隨著技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)逐漸增加許多功能。

電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起，通過傳感器對(duì)電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測(cè)、熱管理、電池均衡管理、報(bào)警提醒，計(jì)算剩余容量（SOC）、放電功率，報(bào)告電池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）狀態(tài)，還根據(jù)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(jī)進(jìn)行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

BMS系統(tǒng)框圖

BMS 整體功能

電池管理系統(tǒng)（BMS）的功能應(yīng)當(dāng)包括電池基本保護(hù)功能、電池均衡功能、電 池儲(chǔ)備能量測(cè)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(jì)

即準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余電量，保證 SOC 維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。

SOC的估算精度高，對(duì)于相同量的電池，可以有更高的續(xù)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(jù)監(jiān)測(cè)的外部特性信息計(jì)算出來的傳輸信息。SOC告知車主當(dāng)前電量的同時(shí)，也讓汽車了解自身電量，防止過充過放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統(tǒng)底層內(nèi)部都是經(jīng)過復(fù)雜的算法計(jì)算，保證汽車安全持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高安全性。因此精確估算SOC數(shù)值變得非常重要，其算法是相關(guān)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

均衡控制

保證電池單體的參數(shù)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(dá)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(duì)電池組在充電、放電或者放置過程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進(jìn)行均衡，來消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的各種不一致性。而在這一過程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移給一個(gè)備用電池，再由備用電池轉(zhuǎn)移到其它電壓（容量）較低的電池。

在傳統(tǒng)能耗型BMS系統(tǒng)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，且只能在充電過程中做均衡工作。其工作原理是通過對(duì)電壓的采集，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)單體電池之間的差異，以設(shè)定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測(cè)出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即對(duì)電池組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電電流，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達(dá)“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(duì)比

熱管理

使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)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?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)、傳熱介質(zhì)選擇、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)預(yù)測(cè)穩(wěn)點(diǎn)的選擇。

熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：

確定電池最有工作溫度范圍；

電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)；

傳熱介質(zhì)選擇；

熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇。
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