動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

隨著電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越多，在尋求對(duì)高能量密度、高安全性的電池之外，電池能量管理系統(tǒng)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(xiàn)擴(kuò)大化造成事故的可能發(fā)生。因此對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)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(tǒng)的性能、延長(zhǎng)電池壽命、提高電池使用效率。

電池管理系統(tǒng)構(gòu)成及原理

電池管理系統(tǒng)(BMS)，即Battery Management System，通過(guò)檢測(cè)電池組中各單體電池的狀態(tài)來(lái)確定整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

一種典型的電池管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

一種典型電池管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、顯示單元模塊、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等構(gòu)成。一般通過(guò)采用內(nèi)部CAN總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊之間的數(shù)據(jù)信息通訊。

基于各個(gè)模塊的功能，BMS能實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測(cè)等，并且能夠計(jì)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(tǒng)的基本功能

電池管理系統(tǒng)的基本功能可以分為檢測(cè)、管理、保護(hù)這三大塊。具體來(lái)看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制、熱管理、安全保護(hù)等功能。

(一)數(shù)據(jù)采集

作為電池管理系統(tǒng)中其他功能的基礎(chǔ)與前提，數(shù)據(jù)采集的精度和速度能夠反映電池管理系統(tǒng)的優(yōu)劣。管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析及處理的。

數(shù)據(jù)采集的對(duì)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(dǎo)致電池所放出的能量是不同的。鋰離子動(dòng)力電池對(duì)電壓和溫度比較敏感，因此在對(duì)電池的SOC進(jìn)行評(píng)估時(shí)必須考慮溫度的影響。

(二)狀態(tài)分析

對(duì)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(píng)估和SOH評(píng)估。SOC能夠讓駕駛員獲得直接的信息，了解到剩余的電量對(duì)續(xù)航里程的影響?，F(xiàn)階段的研究很多都集中在對(duì)SOC分析上，不斷加強(qiáng)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(xù)影響而需要不斷進(jìn)行分析，以確保SOC分析的準(zhǔn)確性。

在對(duì)SOC的分析上，主要有電荷計(jì)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(jì)量法和開(kāi)路電壓法這兩種方法。

(1)電荷計(jì)量法

電荷計(jì)量法是通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)電池充入放出的電荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即電流在時(shí)間上的累積來(lái)計(jì)算得到SOC。雖然是最常用的一種計(jì)量方法，然而會(huì)受到很多因素的影響包括數(shù)據(jù)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(jì)算的電流與真實(shí)值之間存在誤差，使得SOC的結(jié)果偏差越來(lái)越大。所以在采用電荷計(jì)量法時(shí)需要用到一些修正算法對(duì)各種影響因素進(jìn)行校正，減少計(jì)算分析結(jié)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(duì)電池的開(kāi)路電壓測(cè)量來(lái)計(jì)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(rèn)為SOC與電動(dòng)勢(shì)有一定的線(xiàn)性關(guān)系，任意一個(gè)SOC值都只對(duì)應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)值。在采用開(kāi)路電壓法必須要考慮到電壓回彈效應(yīng)，在電壓沒(méi)有回彈到穩(wěn)定值時(shí)計(jì)算得到的SOC會(huì)偏小。與電荷計(jì)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(xiàn)階段要對(duì)SOC進(jìn)行十分精確的測(cè)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(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確帶來(lái)狀態(tài)分析的偏差。另外，電池的不一致性、歷史數(shù)據(jù)、使用工況的不明確性也對(duì)SOC的計(jì)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(nèi)阻等性質(zhì)上出現(xiàn)差別，導(dǎo)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(tǒng)的整體性能和延長(zhǎng)使用壽命，為減少單體電池之間的差異性而對(duì)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(duì)電池進(jìn)行均衡控制，由于電池管理系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)置，就會(huì)出現(xiàn)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(dá)到放電截止限制的現(xiàn)象。一旦電池出現(xiàn)過(guò)充或者過(guò)放，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(fù)雜，不適合單體數(shù)量多的電池系統(tǒng)。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(zhuǎn)移。將能量高的電池單體中的能量轉(zhuǎn)移到能量低的單體上以達(dá)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(zhuǎn)移而不是被消耗，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)成本的上升。

(四)熱管理

電池系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下由于其自身有一定的內(nèi)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(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)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(tǒng)的電性能和壽命，動(dòng)力電池系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)具有熱管理系統(tǒng)。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是用來(lái)確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備等部件構(gòu)成。

電池管理系統(tǒng)在熱管理上的主要功能是對(duì)電池溫度進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和監(jiān)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(dá)到能夠正常工作的環(huán)境。

(五)安全保護(hù)

安全保護(hù)作為整個(gè)電池管理系統(tǒng)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(hù)、過(guò)充過(guò)放保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和絕緣監(jiān)測(cè)。

(1)過(guò)電流保護(hù)

由于電池都具備一定的內(nèi)阻，當(dāng)電池在工作時(shí)電流過(guò)大會(huì)造成電池內(nèi)部發(fā)熱，熱量積累增加造成電池溫度上升，從而導(dǎo)致電池的熱穩(wěn)定性下降。對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，正負(fù)極材料的脫嵌鋰離子能力是一定的，當(dāng)充放電電流大于其的脫嵌能力時(shí)，將導(dǎo)致電池的極化電壓增加，導(dǎo)致電池的實(shí)際容量減小影響電池使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電池的安全性。電池管理系統(tǒng)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(yīng)的安全保護(hù)措施。

(2)過(guò)充過(guò)放保護(hù)

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(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)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(fù)極短路發(fā)生爆炸的隱患。過(guò)充電是被嚴(yán)格禁止的。BMS會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)中單體電池的電壓，當(dāng)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(hù)電池系統(tǒng)。

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(fù)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(nèi)部短路或者漏液的可能。當(dāng)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(hù)電池系統(tǒng)。

(3)過(guò)溫保護(hù)

對(duì)于過(guò)溫保護(hù)，需要結(jié)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(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境下，電池材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(tǒng)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(jiān)測(cè)

絕緣監(jiān)測(cè)功能也是保證電池系統(tǒng)安全的重要功能之一。電池系統(tǒng)電壓通常有幾百伏，一旦出現(xiàn)漏電將會(huì)對(duì)人員形成危險(xiǎn)， 所以絕緣監(jiān)測(cè)功能就顯得相當(dāng)重要。BMS會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總正和總負(fù)對(duì)車(chē)身搭鐵的絕緣阻值，如果出現(xiàn)絕緣阻值低于安全范圍，則會(huì)上報(bào)故障并斷開(kāi)高壓電。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

在進(jìn)行電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，前期首先需要根據(jù)整車(chē)的設(shè)計(jì)要求確定BMS的功能，然后確定其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，之后是主要工作內(nèi)容的軟硬件設(shè)計(jì)，在完成以上基本工作之后要進(jìn)行BMS單元測(cè)試及動(dòng)力電池組整體測(cè)試。在進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)之前，單體電池的充放電、容量、電阻等特性都需要進(jìn)行測(cè)試以便更好進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等。

進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合軟件算法的需求，在電路板開(kāi)發(fā)及元器件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功能包括電壓檢測(cè)、溫度采集、電流檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測(cè)功能、充電管理、熱管理等。

相關(guān)硬件設(shè)計(jì)則對(duì)軟件設(shè)計(jì)的功能提供支持，比如MCU模塊用來(lái)采集、分析數(shù)據(jù)、收發(fā)控制信號(hào);電流檢測(cè)模塊則是采集電池組充放電過(guò)程中的充放電電流。

總結(jié)

作為電動(dòng)汽車(chē)的核心——動(dòng)力電池系統(tǒng)的管理技術(shù)，電池管理系統(tǒng)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(dāng)下，可以通過(guò)大量數(shù)據(jù)和技術(shù)的積累對(duì)電池管理系統(tǒng)的功能進(jìn)行不斷完善。實(shí)現(xiàn)完備功能的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要各方的不斷努力，包括優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、提高軟件的自適應(yīng)性和實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。