一個成熟電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備的十大功能

綜合各國的電動汽車研究情況，可以發(fā)現(xiàn)共同存在的一個現(xiàn)象，即電池是整個電動汽車研究中出問題最多的部件。在電池生產(chǎn)的過程中，電池必須要經(jīng)過化成檢測工序，即在電池生產(chǎn)過程中需要對電池進(jìn)行多次充放電才能完成整個電池的生產(chǎn)。

所以化成控制系統(tǒng)的性能直接影響著鋰電池的技術(shù)狀態(tài)、使用壽命，并決定著放電時(shí)對電網(wǎng)的污染程度。為了滿足電動汽車的實(shí)際運(yùn)行需求，電池管理系統(tǒng)在功能、可靠性、實(shí)用性、安全性等方面都做出了重要努力。

電池管理系統(tǒng)簡介：

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)，電動汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，其主要功能包括:電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測;電池狀態(tài)估計(jì);在線診斷與預(yù)警;充、放電與預(yù)充控制;均衡管理和熱管理等。

電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用：

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能：

1)安全性，保護(hù)電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故;

2)耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長電池的使用壽命;

3)動力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下。

動力電池的基本概念：

(1)電池容量

池容量是蓄電池的一個重要性能參數(shù)，它表示在一定放電率、溫度、終止電壓等的條件下，電池放出的電量。

電池容量用 C表示，其單位用安時(shí)(Ah)、毫安時(shí)(mAh)表示。

(2)充電速率和放電速率

此概念利用電池額定容量和充電時(shí)間(放電時(shí)間)的比值來表示，可以比較不同電池的充放電速度。

(3)電池的過充

電池的過充即是對電池進(jìn)行了過度的充電，過充會給電池造成一定的損害。當(dāng)快接近充電結(jié)束的過程時(shí)，即電池電量快滿的時(shí)候，只能用小電流對電池進(jìn)行低速率充電。因?yàn)橹挥行‰娏鞒潆娝a(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，在電池內(nèi)部積聚的氣體較少，而且給電池散熱的時(shí)間充足。

(4)充電終止電壓/放電終止電壓

當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，表示電池極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，所以在這個時(shí)候即使繼續(xù)對蓄電池充電，蓄電池的電壓再也不會升高，此時(shí)蓄電池的電壓稱為充電終止電壓。類似地，放電終止電壓就是放電時(shí)候能達(dá)到的最低電壓。

(5)電池的內(nèi)阻

蓄電池兩端測得的阻值稱為蓄電池的內(nèi)阻。

(6)電池的生命周期及老化

電池的整個生命周期會經(jīng)歷以下三個階段：在剛開始使用階段時(shí)，容量會增大5%~10%;接下來的階段，容量保持不變;最后一個階段，電池容量開始慢慢減少。這段容量減少的階段就是電池的老化階段。一般來說，當(dāng)電池容量降到額定容量的 80%時(shí)，則認(rèn)為電池壽命結(jié)束。

圖1 車用BMS軟硬件基本框架

電池管理系統(tǒng)的主要組成及功能：

(1)電池終端模塊(主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如：電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度、通信信號等);

(2)中間控制模塊(主要與整車系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制充電機(jī)等);

(3)顯示模塊(主要進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互)。

為滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，BMS的這些組成模塊要完成的如下工作：

(1)電池參數(shù)檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(防止出現(xiàn)過充、過放甚至反極現(xiàn)象)、溫度檢測(最好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器)、煙霧探測(監(jiān)測電解液泄漏)、絕緣檢測(監(jiān)測漏電)、碰撞檢測等;

(2)電池狀態(tài)估計(jì)。包括荷電狀態(tài)(SOC)或放電深度(DOD)、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)、故障及安全狀態(tài)(SOS)等;

(3)在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號，采用診斷算法診斷故障類型，并進(jìn)行早期預(yù)警。

電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障(如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等)，以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等;

(4)電池安全控制與報(bào)警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后，通過網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器，并要求整車控制器進(jìn)行有效處理(超過一定閾值時(shí)BMS也可以切斷主回路電源)，以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害;

(5)充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊，它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機(jī)的功率等級，控制充電機(jī)給電池進(jìn)行安全充電;

(6)電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息，采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量;

(7)熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強(qiáng)度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能;

(8)網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS需要與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信;同時(shí)，BMS在車輛上拆卸不方便，需要在不拆殼的情況下進(jìn)行在線標(biāo)定、監(jiān)控、升級維護(hù)等，一般的車載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN;

(9)信息存儲。用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等;

(10)電磁兼容。由于電動車使用環(huán)境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時(shí)要求BMS對外輻射小。

圖2 電池管理系統(tǒng)算法框架

小結(jié)

綜上所述，成熟的電池管理系統(tǒng)應(yīng)該對電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，提高電池的使用效率，增加續(xù)駛里程、延長電池使用壽命、降低運(yùn)行成本。電池管理系統(tǒng)在電動汽車發(fā)展的同時(shí)，其技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。