解析電動汽車鋰電池BMS系統(tǒng)

電動汽車的出現(xiàn)，是在全球變暖、環(huán)境污染和能源危機所推動的。2015年全球電動汽車生產(chǎn)量和出貨量分別超過了50萬輛的規(guī)模，其中中國超過了37萬輛。電動汽車必須要有電能儲存裝置，目前鋰離子電池是動力電池的首選和主流。鋰離子電池在串聯(lián)成組使用時存在過充、過放、過流、溫度過高過低等問題，會造出鋰離子電池的迅速損壞，因此需要電池管理系統(tǒng)進行管理。

1、鋰離子電池

鋰離子電池指由正極、負極、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過渡元素發(fā)生氧化還原反應，而金屬鋰和碳負極是金屬鋰發(fā)生氧化還原反應。充放電過程，鋰離子在電池內(nèi)部正負極之間來回轉(zhuǎn)移，電池在外電路移動。有人形象地把這種鋰離子轉(zhuǎn)移過程成為搖椅，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程圖示

鋰離子電池正極材料一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物，如Ni、Co、Mn的嵌鋰氧化物。負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。

電解液普遍使用報告LiPF6的溶液，溶質(zhì)為有機物，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合膜；外殼材料有鋼、鋁、塑料、鋁塑膜等。鋰離子電池典型的結構如下圖：

圖2 方形電池的典型結構

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、自放電率、溫度性能、儲存性能等。鋰離子電池安全測試有：過充、短路、針刺、跌落、浸水、低壓、振動等。

鋰離子電池比較嬌貴，其充放電是一個多變量、非線性復雜的電化學過程，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，因為鋰離子電池對于溫度、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1991年開始設計的BADICHEQ和BADICOaCH系統(tǒng)，美國通用汽車EV1使用的電池管理系統(tǒng)，美國AC Propulsion 公司開發(fā)的名為BatOPt的高性能電池管理系統(tǒng)。

國內(nèi)最早主要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢聯(lián)合一些大的汽車和電池生產(chǎn)商進行了一些研究工作，清華大學為EV-6568輕型電動客車配套了電池管理系統(tǒng)、同濟大學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等依托國家863計劃電動汽車重大專項子課題，也開發(fā)了有特色的電池管理系統(tǒng)。隨著電動汽車市場的啟動，許多商業(yè)化的產(chǎn)品都獲得了大批量的應用。

3、電池管理系統(tǒng)研究內(nèi)容

首先，要研究電池管理系統(tǒng)，一般研究單片機為核心，車載網(wǎng)絡為分布系統(tǒng)。然后研究傳感，因為需要檢測電池的參數(shù)。一般檢測電壓、電流、溫度。數(shù)據(jù)和控制的傳輸需網(wǎng)絡來實現(xiàn)，一般用CAN網(wǎng)絡。執(zhí)行機構，通過顯示屏、繼電器、風扇、泵、電機等來實現(xiàn)。

圖3 電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)示意圖

有了管理的實現(xiàn)系統(tǒng)，需要管理的運行系統(tǒng)。對電池的管理，分為放電、充電和靜置三種過程。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，充電過程的監(jiān)控，充電過程的溫度、電壓、電流的保護。放電過程涉及到輸出功率的管理，用電規(guī)劃的管理，使用過程電壓、電流、溫度的管理。

充電放電靜置都會需要參考同一個參數(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程是很復雜的電化學過程，受到很多因素的影響，剩余電量的估算十分困難，困難主要來自如下幾個方面：

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；二是電池老化無法確定，電池的老化無法精確的隨時標定，電池組內(nèi)的分散程度也無法精確隨時標定；三是使用過程的隨機性。文獻對于各種SOC的估算方法進行了介紹。

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

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束時，對每個單體電池單獨使用一個小充電器將其充滿電。能量轉(zhuǎn)移均衡由于SOC測量的困難，雖然有很多的研發(fā)，還沒有能進入實用的產(chǎn)品。

當然，電池管理系統(tǒng)做到這樣還是不夠的，電池在使用過程中溫度會升高，溫度過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，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下電池溫度過低后充放電都無法繼續(xù)進行，于是進行了加熱管理。

電池使用范圍的進一步擴大，電池安全問題增多，于是就有了安全管理的問題。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)來判斷安全隱患。進一步發(fā)展到對BMS本身對安全做出預警。

電池在使用過程中總是需要維護、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)準備好，那么相應的工作就會變得簡單很多，于是電池管理系統(tǒng)又增加了故障診斷和報送的功能。

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

電池研發(fā)的進步，也依賴于電池使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題、現(xiàn)象，依靠實際使用過程的選擇，于是電池管理系統(tǒng)又增加了電池技術選擇的功能。

4 電池管理系統(tǒng)發(fā)展展望

測量是電池管理基礎，越來越精確，分辨率越來越高的技術應用于電池管理系統(tǒng)。SOC估算的研究也從一色的安時積分為基礎發(fā)展到焦耳積分等其他方法。電池的管理功能越來越多，值得關注的是多級電池管理系統(tǒng)的興起。

從主從結構，發(fā)展到每個獨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，和后臺服務器電池管理程序也在興起。此外，值得關注的是，電池管理系統(tǒng)不再是被動地去保護電池，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和產(chǎn)品出現(xiàn)。