解析電動(dòng)汽車鋰電池BMS系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，是在全球變暖、環(huán)境污染和能源危機(jī)所推動(dòng)的。2015年全球電動(dòng)汽車生產(chǎn)量和出貨量分別超過(guò)了50萬(wàn)輛的規(guī)模，其中中國(guó)超過(guò)了37萬(wàn)輛。電動(dòng)汽車必須要有電能儲(chǔ)存裝置，目前鋰離子電池是動(dòng)力電池的首選和主流。鋰離子電池在串聯(lián)成組使用時(shí)存在過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、溫度過(guò)高過(guò)低等問(wèn)題，會(huì)造出鋰離子電池的迅速損壞，因此需要電池管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

1、鋰離子電池

鋰離子電池指由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大主要材料和外殼制成的電池。其中正極和負(fù)極材料必須能夠可逆的嵌入和脫嵌鋰離子，隔膜必須是鋰離子導(dǎo)通而電子絕緣，電解液必須是鋰離子溶液。

通常正極材料里是一個(gè)過(guò)渡元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而金屬鋰和碳負(fù)極是金屬鋰發(fā)生氧化還原反應(yīng)。充放電過(guò)程，鋰離子在電池內(nèi)部正負(fù)極之間來(lái)回轉(zhuǎn)移，電池在外電路移動(dòng)。有人形象地把這種鋰離子轉(zhuǎn)移過(guò)程成為搖椅，而將鋰離子電池稱為搖椅式電池。

圖1 鋰離子電池的工作過(guò)程圖示

鋰離子電池正極材料一般采用嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物，如Ni、Co、Mn的嵌鋰氧化物。負(fù)極材料則要選擇電位盡可能接近金屬鋰的嵌鋰化合物，如各種碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。

電解液普遍使用報(bào)告LiPF6的溶液，溶質(zhì)為有機(jī)物，常用的有乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低密度二乙烯碳酸酯（DEC）等；隔膜主要由烯烴類聚合物制成多孔復(fù)合膜；外殼材料有鋼、鋁、塑料、鋁塑膜等。鋰離子電池典型的結(jié)構(gòu)如下圖：

圖2 方形電池的典型結(jié)構(gòu)

鋰離子電池典型參數(shù)有：容量、內(nèi)阻、電壓；鋰離子電池特性參數(shù)有：循環(huán)壽命、放電平臺(tái)、自放電率、溫度性能、儲(chǔ)存性能等。鋰離子電池安全測(cè)試有：過(guò)充、短路、針刺、跌落、浸水、低壓、振動(dòng)等。

鋰離子電池比較嬌貴，其充放電是一個(gè)多變量、非線性復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，如果不能滿足其充放電的條件要求，很容易出現(xiàn)壽命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件，因?yàn)殇囯x子電池對(duì)于溫度、電壓、電流等很敏感。

2、電池管理系統(tǒng)的發(fā)展

早期的電池管理系統(tǒng)有：德國(guó)1991年開始設(shè)計(jì)的BADICHEQ和BADICOaCH系統(tǒng)，美國(guó)通用汽車EV1使用的電池管理系統(tǒng)，美國(guó)AC Propulsion 公司開發(fā)的名為BatOPt的高性能電池管理系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)最早主要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢(shì)聯(lián)合一些大的汽車和電池生產(chǎn)商進(jìn)行了一些研究工作，清華大學(xué)為EV-6568輕型電動(dòng)客車配套了電池管理系統(tǒng)、同濟(jì)大學(xué)和北京星恒合作開發(fā)了鋰離子電池管理系統(tǒng)、春蘭研究院開發(fā)了HEV-BMS系統(tǒng)、北京理工和北方交通大學(xué)等依托國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)子課題，也開發(fā)了有特色的電池管理系統(tǒng)。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的啟動(dòng)，許多商業(yè)化的產(chǎn)品都獲得了大批量的應(yīng)用。

3、電池管理系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

首先，要研究電池管理系統(tǒng)，一般研究單片機(jī)為核心，車載網(wǎng)絡(luò)為分布系統(tǒng)。然后研究傳感，因?yàn)樾枰獧z測(cè)電池的參數(shù)。一般檢測(cè)電壓、電流、溫度。數(shù)據(jù)和控制的傳輸需網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般用CAN網(wǎng)絡(luò)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)顯示屏、繼電器、風(fēng)扇、泵、電機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)示意圖

有了管理的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，需要管理的運(yùn)行系統(tǒng)。對(duì)電池的管理，分為放電、充電和靜置三種過(guò)程。靜置涉及到溫度、安全的管理。充電涉及到充電參數(shù)的配置，充電過(guò)程的監(jiān)控，充電過(guò)程的溫度、電壓、電流的保護(hù)。放電過(guò)程涉及到輸出功率的管理，用電規(guī)劃的管理，使用過(guò)程電壓、電流、溫度的管理。

充電放電靜置都會(huì)需要參考同一個(gè)參數(shù)，就是剩余可用電量，也叫荷電狀態(tài)（SOC，state of Charge）。鋰離子電池的放電過(guò)程是很復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，受到很多因素的影響，剩余電量的估算十分困難，困難主要來(lái)自如下幾個(gè)方面：

一是電池的容量不固定，在完全相同的經(jīng)歷和狀態(tài)參數(shù)下，電池的容量不是固定的；二是電池老化無(wú)法確定，電池的老化無(wú)法精確的隨時(shí)標(biāo)定，電池組內(nèi)的分散程度也無(wú)法精確隨時(shí)標(biāo)定；三是使用過(guò)程的隨機(jī)性。文獻(xiàn)對(duì)于各種SOC的估算方法進(jìn)行了介紹。

鋰離子電池組在使用過(guò)程中，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)越，單體之間也存在不一致，電池組在使用過(guò)程中也會(huì)使其特性產(chǎn)生變化，目前對(duì)電池組在使用過(guò)程中單體間出現(xiàn)分散性的現(xiàn)象，并無(wú)有效的解決辦法，因此需要外部來(lái)解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問(wèn)題。

目前通用的均衡方法有耗能均衡，充電均衡和能量轉(zhuǎn)移均衡。最典型使用最廣的是耗能均衡，該方法利用發(fā)熱電阻旁路分流，原理如下圖：

圖4 耗能均衡的原理示意圖

充電均衡是在充電結(jié)束時(shí)，對(duì)每個(gè)單體電池單獨(dú)使用一個(gè)小充電器將其充滿電。能量轉(zhuǎn)移均衡由于SOC測(cè)量的困難，雖然有很多的研發(fā)，還沒(méi)有能進(jìn)入實(shí)用的產(chǎn)品。

當(dāng)然，電池管理系統(tǒng)做到這樣還是不夠的，電池在使用過(guò)程中溫度會(huì)升高，溫度過(guò)高鋰離子電池就不能再繼續(xù)使用，這是不希望出現(xiàn)的情況。因此，最初的電池管理系統(tǒng)又增加了散熱管理的功能。再后來(lái)，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下電池溫度過(guò)低后充放電都無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，于是進(jìn)行了加熱管理。

電池使用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，電池安全問(wèn)題增多，于是就有了安全管理的問(wèn)題。最初的安全管理是監(jiān)控，BMS將電池的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)判斷安全隱患。進(jìn)一步發(fā)展到對(duì)BMS本身對(duì)安全做出預(yù)警。

電池在使用過(guò)程中總是需要維護(hù)、更換單體、做均衡等，這些工作需要診斷，如果BMS在需要之前就已經(jīng)把診斷做好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，那么相應(yīng)的工作就會(huì)變得簡(jiǎn)單很多，于是電池管理系統(tǒng)又增加了故障診斷和報(bào)送的功能。

隨著退役電池的增多，電池的梯次利用和循環(huán)使用又顯示出問(wèn)題來(lái)了，于梯次利用電池的配組需要進(jìn)行大量的研究，BMS又承擔(dān)起配組優(yōu)化的管理功能。

電池研發(fā)的進(jìn)步，也依賴于電池使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題、現(xiàn)象，依靠實(shí)際使用過(guò)程的選擇，于是電池管理系統(tǒng)又增加了電池技術(shù)選擇的功能。

4 電池管理系統(tǒng)發(fā)展展望

測(cè)量是電池管理基礎(chǔ)，越來(lái)越精確，分辨率越來(lái)越高的技術(shù)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)。SOC估算的研究也從一色的安時(shí)積分為基礎(chǔ)發(fā)展到焦耳積分等其他方法。電池的管理功能越來(lái)越多，值得關(guān)注的是多級(jí)電池管理系統(tǒng)的興起。

從主從結(jié)構(gòu)，發(fā)展到每個(gè)獨(dú)立置換單位能夠具有完整的電池管理系統(tǒng)功能。在電池系統(tǒng)之外，整車電池管理，和后臺(tái)服務(wù)器電池管理程序也在興起。此外，值得關(guān)注的是，電池管理系統(tǒng)不再是被動(dòng)地去保護(hù)電池，而是優(yōu)化使用和使用環(huán)境。溫度管理是優(yōu)化使用環(huán)境，參數(shù)推演是優(yōu)化使用。隨著行業(yè)的發(fā)展，可以期待更多更好的電池管理技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)。