電池管理系統發展綜述

譚澤富，孫榮利，楊 芮，何德伍

(重慶三峽學院 信號與信號處理重點實驗室，重慶 404000)

能源危機和環境污染是當今世界面臨的兩大問題[1]。目前，全球汽車保有量突破10億輛，而且每年消耗的燃油相當可觀。石油是一種寶貴的戰略資源，但它帶來的污染不容忽視。經過多年的努力，電動汽車的發展已經進入了一個關鍵點。動力電池直接為電動汽車提供能量，是電動汽車的重要組成部分[2]。電動汽車動力電池發展的關鍵是電動汽車電池管理系統(battery management system，BMS)和相關的整車技術的發展。電池管理系統對電動汽車的成本、動力和安全性至關重要。電池管理系統能夠監測單體電池的電流、電壓，控制單體電池的充放電均衡，觀測電池充放電電流及溫度，估算電池的剩余電量(state of charge，SOC)，與車輛監控系統、車載充電機進行實時總線通訊，協調控制和優化電動車的電量分配[3]。

作為電動汽車的關鍵技術之一，電池管理系統具有不可或缺的作用，但是在準確估算SOC時，均衡問題和采集數據的可靠性等還需要提高和改進[4-5]。

1 國內外研究現狀

全球很多汽車廠商都對電動汽車的研究非常重視，全球主要的車型及電池管理系統如圖1所示。

圖1 全球主要的車型及電池管理系統

1.1 國外研究現狀

國外在電動汽車上的研究相比國內起步較早。美國對電動汽車電池管理系統的研究一直處于世界領先地位。目前，豐田、本田以及通用汽車都將BMS納入技術開發。美國通用汽車公司為電動汽車EV1開發的電池管理系統[6]，可以實現對26節串聯而成的電池組進行實時狀況監測、分流采樣總電流、熱管理以及高壓斷電保護等。德國的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff領導開發了BADICHEQ系統[7]。德國的B.Hauck開發了BATTMAN系統[7]。日本豐田汽車開發了Pruis混合動力電動汽車的電池管理系統。美國的特斯拉制造商開發了純電動汽車所使用的電池管理系統。國外針對電池管理系統做了大量的實驗論證，取得了很大的進展。

1.2 國內研究現狀

國內對于電動汽車的研究起步較晚，但在過去10年中，中國電動汽車電池管理系統的發展極為迅速。與此同時，中國成立了一個重要的電動汽車專業研究項目，這與國家的大力支持是分不開的。蘇州興恒電力有限公司研發了燃料電池——鋰離子動力電池組及其管理系統；北京航空航天大學對電池管理系統進行研究，其研發的系統可實現電流、電壓、溫度采集，SOC 估算以及判斷電池狀態等功能。清華大學為EV-6580 輕型電動客車設計的電池管理系統具備實時采集電流、電壓、溫度等參數，可防止過充(過放)，并且為電池組設計了與之匹配的充電系統[8]。此外，安徽力高新能源與中國科技大學合作，產品已用于深圳市223路混和動力公交車上[9]。這些成果將繼續推動中國對電動汽車電池管理系統方面的研究。

2 電池管理系統介紹

電池管理系統作為電動汽車穩定高效運行的保證，在電動汽車的發展中起著關鍵作用。

電動汽車電池管理系統是汽車動力電池和電動汽車之間的重要紐帶,主要功能包括：監測單體電池的電壓；控制單體電池充放電均衡；觀測電池充放電電流和溫度；估算電池的SOC；與整車監控系統、車載充電機進行實時總線通訊；協調控制和優化電動汽車的電量分配等。

電池管理系統的組成包括BMS中心控制器、充電機、熱管理系統、車載監控系統、安全管理系統、電流傳感器、負載和電池組，其總體結構框圖見圖2。

3 SOC介紹

準確估計SOC是電池管理系統的關鍵技術之一。因此，準確估算電池組SOC對整車的安全性能和車輛性能具有重要意義。

圖2 電池管理系統總體結構框圖

3.1 SOC的定義

關于SOC的定義最早始于美國先進電池聯合會(USABC)。SOC(state of charge)是指電池的荷電狀態，也指電池的剩余電量。通過SOC能夠更好地了解電池的使用情況，從而做出相應的處理。

3.2 SOC的檢測

對電池組SOC的檢測，要通過電池組的SOC值大小來判斷。在20 ℃時，電池通過充電使電壓達到終止電壓(一般情況下鋰電池的終止電壓為4.2 V)，且充電電流小于給定值(100 mA)的狀態為電池的滿電荷狀態，此時給定的SOC值為1。此外，電池通過放電使電池組電壓達到截止電壓(一般情況下，鋰電池的截止電壓為3.6 V)時候的狀態為空電荷狀態，此時給定SOC值為0。

3.3 SOC估算作用

對電池組SOC的準確估算主要體現在以下3個方面[10]：

1)表征電池放電深度，研究電池的壽命問題；

2)SOC估算作為電池均衡問題開啟條件，可以研究電池組的均衡管理問題；

3)SOC估算作為制動能量回收策略制定的依據，可以研究能量回收的問題。

3.4 SOC的估算公式的由來和修正

3.4.1SOC的定義

1)從容量角度，電池SOC的定義[11]為在一定的放電倍率下，在相同條件下電池剩余容量與其額定容量之比：

(1)

2)從能量角度，電池SOC的定義[11]為在一定的放電倍率下，剩余能量與總可用的能量之比：

(2)

其中:E是電動汽車電池已釋放出的能量；EN是總的可用能量。

3.4.2SOC的影響因素及對其修正

電池SOC進行估算時難免會出現誤差，而造成誤差的主要原因[12]是：① 電池的充放電效率；② 溫度的影響；③ 電池的循環壽命；④ 電池的充放電倍率；⑤ 電池的自放電等。

因此，應該通過這些主要的影響因素來重新估算電池的SOC公式。

電池SOC的變化可以表示為

(1)智慧城市感知質量、智慧城市發展水平與智慧城市建設滿意度呈現正相關(H1，H2)得到驗證，且在0.05水平下是顯著的。這表明智慧城市感知質量與智慧城市發展水平的提高會較大程度地提高居民的生活服務水平，對市民對智慧城市建設的滿意度有較大影響。

(3)

其中：SOCO是初始值；I是放電電流；TS是時間。

在充放電效率影響下，引進充放電轉換因子K1；在溫度的影響下，引進溫度影響系數K2；在電池循環壽命的影響[13]下，引進影響系數K3；由于電池充放電倍率的影響，引入了影響系數K4；根據電池的自放電影響，引進其影響系數K5。為了簡便，將其影響系數合并：

K=K1×K2×K3×K4×K5

得到最終修正后的SOC公式為：

(4)

3.4.3SOC的估算方法

SOC的估算方法從最開始的開路電壓法和安時積分法，發展到最近的卡爾曼濾波估計模型算法和神經網絡算法[14-15]。

1)開路電壓法，也稱OCV法。一般通過建立SOC-OCV之間的對應關系以達到對SOC估測的目的，但這種方法只能用于靜態估值(只有汽車在靜止的情況下使用)。

2)安時積分法，也稱AH法。在進行剩余電量估算時，需對電池組的充放電電量進行計量并累加，將時間上累積的充放電電量與滿電荷狀態的額定電量的比值作為電池組當前電量的估算[16]。由于僅考慮充放電電流和時間兩個因素，該方法簡單易實現[17]，其定義[18]為

(5)

其中：Q表示額定容量;i表示電池電流;η表示充放電效率。

安時積分法是一種簡單、可靠且流行的SOC估算方法。

3)擴展卡爾曼濾波法，也稱EKF法。這種方法可以在不需要歷史數據的情況下作出準確的預測，但是它并不能估計出非線性時變系統下的狀態。

4)神經網絡算法。這種算法對模型的依賴性不大，但是對硬件的要求很高，且需要很多數據。

以上幾種對SOC估算的算法各有其優缺點，見表1。

表1 SOC方法的優缺點和適用范圍

4 電池均衡

在一個大的電池組中，包含幾十組或者上百組單體電池，而這些單體電池都有自己的特性，正是由于各個單體電池在老化程度、充放電特性等存在差別，單體電池的電池容量、內阻、電壓等存在不一致性。而這種現象很有可能會降低電池組的總容量。所以，應用電池均衡技術，可有效避免這些問題的發生。在電池均衡的問題上，解決電池組內單體電池間的不平衡是電池管理系統的重要任務。通過不斷實驗補償不同電池間差異、降低對電池組的損壞、延長電池壽命，這些都將是電池管理系的核心問題[19]。所以，電池的均衡技術是電動汽車電池管理系統重點研究的方向之一。

4.1 均衡管理的現狀

電池均衡的研究方向[10]主要分為兩大類：一類是通過電池內部化學反應來實現電池的均衡；另一類是通過電池外部電路連接來實現電池的均衡。

4.2 電池均衡方案的分類[20]

按照均衡功能分類分為充電均衡、放電均衡和雙向均衡；按照能耗分類分為能量消耗型和非能量消耗型；按照均衡電路拓撲形式分類分為獨立式均衡和集中式均衡；以觸發時機分類[21]可分為主動均衡和被動均衡。其中，主動均衡是非能量消耗型均衡，被動均衡是能量消耗型均衡。本文將主要闡述被動均衡和主動均衡的方法。

4.2.1被動均衡型

被動均衡的原理是以電池組中單體電池的多余的能量通過熱能的形式消耗。這種方法控制邏輯簡單、成本較低、硬件上很容易實現，但是能量損耗較大，效率偏低[22-24]。圖3是被動均衡的簡單示意圖。

被動均衡用的方法主要是電阻消耗法[3]。圖4為電阻消耗法的結構示意圖。

4.2.2主動均衡型

主動均衡技術是電池管理技術的重點研究方向，其原理是能量的轉移，將單體能量高的轉移到單體能量低的或用整組能量補充單體電池。主動均衡主要的方法是電感式主動均衡、開關電容式主動均衡、變壓器式主動均衡。

圖4 電阻均衡法

圖5為開關電容式主動均衡的結構示意圖[25]。開關電容式主動均衡是利用電容作為能量搬運的中間載體，從而實現了不同單體電池之間的能量轉移。

圖5 開關電容式主動均衡

變壓器式主動均衡是通過一個多輸出的變壓器，每個變壓器的一端連接一個單體電池，數量保持一致。正是因為每一個單體電池都需要附帶一個變壓器，這樣實現起來就很困難。圖6是變壓器式主動均衡的結構示意圖。

圖6 變壓器式主動均衡

5 熱管理系統

作為新能源汽車重要組成部分的電池熱管理系統決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本等關鍵因素。鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時，電池的可用容量將迅速發生衰減，鋰離子電池的熱相關問題直接影響電池的安全性，電池的內部熱量不容易散出，可能會出現電池內部溫度不均或者局部溫升過高等問題，進一步加速電池衰減，而且會縮短電池壽命，并增加用戶的總體擁有成本。因此，需要通過電池熱管理系統處理這些問題。

6 未來的發展方向

在國家的大力支持下，電動汽車的發展十分迅速，但是還處于初期階段，而BMS作為電池關鍵技術之一，現階段雖有較大的突破和研究成果，但仍有許多地方需要完善和改正。

1)精確估算電池SOC仍將是今后研究的重點。

2)電池組均衡問題目前仍是一個難題，迫切需要提出合理的方案，對電池組做一個高效綜合的電池均衡。

3)BMS的安全性能也至關重要，只有具備較好的安全性，才會受到消費者的青睞。其中，熱管理系統是保障BMS安全性能的重點，將是今后的研究方向。

4)目前，國外大多數成熟的BMS都只針對單一特定的電池或電池組研發，通用性較差，所以對更為通用的BMS的研發將成為今后的發展方向[26]。

7 結束語

電動汽車是未來汽車行業發展的必然趨勢，電池管理系統是電動汽車穩定高效運行的保障，在電動汽車的發展中起著關鍵作用，是推動電動汽車發展的必然動力。電池管理系統一直都會是熱門研究方向，在未來的研究中，BMS將更好地服務電動汽車，獲得更大的進展。