動力電池管理系統(tǒng)設計概述

    隨著電動汽車越來越多，在尋求對高能量密度、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。不同的動力電池具有不同的性質，即使是同一類型的電池性質也存在不一致性，在使用過程中會出現擴大化造成事故的可能發(fā)生。因此對動力電池系統(tǒng)進行有效的管理用以確保電動汽車的安全顯得十分重要，同時也需要保證電池系統(tǒng)的性能、延長電池壽命、提高電池使用效率。
    電池管理系統(tǒng)構成及原理
    電池管理系統(tǒng)（BMS），即Battery Management System，通過檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進行對應的控制調整和策略實施，實現對動力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。
 

    一種典型的電池管理系統(tǒng)拓撲圖

    一種典型電池管理系統(tǒng)拓撲圖結構主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來說，由中央處理單元（主控模塊）、數據采集模塊、數據檢測模塊、顯示單元模塊、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等構成。一般通過采用內部CAN總線技術實現模塊之間的數據信息通訊。
    基于各個模塊的功能，BMS能實時檢測動力電池的電壓、電流、溫度等參數，實現對動力電池進行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測等，并且能夠計算動力電池剩余容量、充放電功率以及SOC&SOH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、管理、保護這三大塊。具體來看，包括數據采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、熱管理、安全保護等功能。
    （一）數據采集
    作為電池管理系統(tǒng)中其他功能的基礎與前提，數據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據為基礎進行分析及處理的。
    數據采集的對象一般為電壓、電流、溫度。在實際使用過程中，電池在不同溫度下的電化學性能不同，導致電池所放出的能量是不同的。鋰離子動力電池對電壓和溫度比較敏感，因此在對電池的SOC進行評估時必須考慮溫度的影響。
    （二）狀態(tài)分析
    對電池狀態(tài)的分析主要是電池剩余電量及電池老化程度這兩個方面，即SOC評估和SOH評估。SOC能夠讓駕駛員獲得直接的信息，了解到剩余的電量對續(xù)航里程的影響?，F階段的研究很多都集中在對SOC分析上，不斷加強其精確度。SOC的分析會受到SOH的影響，電池的SOH在使用過程中受到溫度、電流等持續(xù)影響而需要不斷進行分析，以確保SOC分析的準確性。
    在對SOC的分析上，主要有電荷計量法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、人工神經網絡算法和模糊邏輯法等。在這簡單介紹電荷計量法和開路電壓法這兩種方法。
    （1）電荷計量法
    電荷計量法是通過對一段時間內電池充入放出的電荷進行統(tǒng)計，即電流在時間上的累積來計算得到SOC。雖然是最常用的一種計量方法，然而會受到很多因素的影響包括數據采用精度、自放電問題等。比如由于電流傳感器采用精度的不足，用于積分計算的電流與真實值之間存在誤差，使得SOC的結果偏差越來越大。所以在采用電荷計量法時需要用到一些修正算法對各種影響因素進行校正，減少計算分析結果的誤差。
    （2）開路電壓法
    開路電壓法是在電池處于靜置狀態(tài)下對電池的開路電壓測量來計算電池的SOC。但需要注意的是采用開路電壓法時一般認為SOC與電動勢有一定的線性關系，任意一個SOC值都只對應一個電動勢值。在采用開路電壓法必須要考慮到電壓回彈效應，在電壓沒有回彈到穩(wěn)定值時計算得到的SOC會偏小。與電荷計量法相比較，開路電壓法在電池正常工作時不能使用，這是它最大的問題。
    其實現階段要對SOC進行十分精確的測量存在很大的困難，比如由于傳感器精度和電磁干擾引起采樣數據的不準確帶來狀態(tài)分析的偏差。另外，電池的不一致性、歷史數據、使用工況的不明確性也對SOC的計算帶來很大的影響。
    （三）均衡控制
    由于生產制造和工作環(huán)境的影響會造成電池單體的不一致性，在電壓、容量、內阻等性質上出現差別，導致每個單體電池在實際使用過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)的整體性能和延長使用壽命，為減少單體電池之間的差異性而對電池進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。如果沒有對電池進行均衡控制，由于電池管理系統(tǒng)的保護功能設置，就會出現某個電池單體充滿電時其他電池單體沒有充滿或者某個最小電量的單體電池放電截止時其他電池還沒有達到放電截止限制的現象。一旦電池出現過充或者過放，電池內部會發(fā)生一些不可逆的化學反應導致電池的性質受到影響，從而影響電池的使用壽命。
    按照均衡管理中的電路結構和控制方式這兩個方面來歸納，前者分為集中式均衡和分布式均衡，后者分為主動均衡和被動均衡。集中式均衡是指電池組內所有的電池單體共用一個均衡器來進行均衡控制，而分布式均衡是一個或若干個電池單體專用一個均衡器。前者通信簡單直接，進行均衡速度快。但電池單體與均衡器之間的線束排布復雜，不適合單體數量多的電池系統(tǒng)。后者能夠解決前者線束方面的問題，缺點是成本高。
   

    主動均衡又稱非耗散型均衡，形象說就是進行電池單體之間的能量轉移。將能量高的電池單體中的能量轉移到能量低的單體上以達到能量均衡目的。被動式則是耗散型均衡，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)。主動式均衡效率高、能量轉移而不是被消耗，但結構復雜帶來成本的上升。
    （四）熱管理
    電池系統(tǒng)在不同運行工況下由于其自身有一定的內阻，在輸出功率、電能的同時產生一定的熱量從而產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。當電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時，必須限功率工作，否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命，動力電池系統(tǒng)一般設計具有熱管理系統(tǒng)。電池熱管理系統(tǒng)是用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內的一套管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質、監(jiān)測設備等部件構成。
    電池管理系統(tǒng)在熱管理上的主要功能是對電池溫度進行準確地測量和監(jiān)控，在電池組溫度過高時的有效散熱和通風用以保證電池組溫度場的均勻分布。在低溫的條件下，能夠進行快速加熱使電池組達到能夠正常工作的環(huán)境。
    （五）安全保護
    安全保護作為整個電池管理系統(tǒng)最重要的功能，是基于前面四個功能而進行的。主要包括過電流保護、過充過放保護、過溫保護和絕緣監(jiān)測。
    （1）過電流保護
    由于電池都具備一定的內阻，當電池在工作時電流過大會造成電池內部發(fā)熱，熱量積累增加造成電池溫度上升，從而導致電池的熱穩(wěn)定性下降。對于鋰離子電池來說，正負極材料的脫嵌鋰離子能力是一定的，當充放電電流大于其的脫嵌能力時，將導致電池的極化電壓增加，導致電池的實際容量減小影響電池使用壽命，嚴重時會影響電池的安全性。電池管理系統(tǒng)會判斷電流值是否超過安全范圍，一旦超過則會采取相應的安全保護措施。
    （2）過充過放保護
    在充電過程中，充電電壓超過電池截止充電電壓時，將會引起正極晶格結構被破壞，導致電池容量變小。并且電壓過高時會進而造成正負極短路發(fā)生爆炸的隱患。過充電是被嚴格禁止的。BMS會檢測系統(tǒng)中單體電池的電壓，當電壓超過充電限制電壓時，BMS會斷開充電回路從而保護電池系統(tǒng)。
    在放電過程中，放電電壓低于電池放電截止電壓時，電池負極上的金屬集流體將被溶解，給電池造成不可逆的損害。給過度放電的電池充電時會有內部短路或者漏液的可能。當電壓超過放電限制電壓時，BMS會斷開放電回路從而保護電池系統(tǒng)。
    （3）過溫保護
    對于過溫保護，需要結合上面的熱管理功能進行。電池活性在不同溫度下有所不同。長時間處在高溫環(huán)境下，電池材料的結構穩(wěn)定性會變差縮短電池使用壽命。低溫下電池活性受限會造成可用容量減小，尤其是充電容量將變得很低，同時可能產生安全隱患。電池管理系統(tǒng)能夠在電池溫度超過高溫限制值或是低于低溫限制值時，均會禁止進行充放電。
    （4）絕緣監(jiān)測
    絕緣監(jiān)測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，一旦出現漏電將會對人員形成危險， 所以絕緣監(jiān)測功能就顯得相當重要。BMS會實時監(jiān)測總正和總負對車身搭鐵的絕緣阻值，如果出現絕緣阻值低于安全范圍，則會上報故障并斷開高壓電。
    系統(tǒng)設計及技術要求
    在進行電池管理系統(tǒng)設計時，前期首先需要根據整車的設計要求確定BMS的功能，然后確定其拓撲結構，之后是主要工作內容的軟硬件設計，在完成以上基本工作之后要進行BMS單元測試及動力電池組整體測試。在進行軟硬件設計之前，單體電池的充放電、容量、電阻等特性都需要進行測試以便更好進行保護電路設計、算法設計等。
    進行硬件設計時要結合軟件算法的需求，在電路板開發(fā)及元器件設計上需要注意耐壓絕緣、抗電磁干擾、電磁兼容、通信隔離和通風散熱等。一般的軟件設計功能包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。
    相關硬件設計則對軟件設計的功能提供支持，比如MCU模塊用來采集、分析數據、收發(fā)控制信號；電流檢測模塊則是采集電池組充放電過程中的充放電電流。
    總結
    作為電動汽車的核心——動力電池系統(tǒng)的管理技術，電池管理系統(tǒng)在很多功能方面仍存在不足。在電動汽車蓬勃發(fā)展的當下，可以通過大量數據和技術的積累對電池管理系統(tǒng)的功能進行不斷完善。實現完備功能的電池管理系統(tǒng)設計需要各方的不斷努力，包括優(yōu)化硬件設計、提高軟件的自適應性和實現低功耗設計。