電池管理系統(tǒng)研究

張明軍

（南京蘇逸實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在全球氣候變暖、環(huán)境污染以及能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，新能源汽車因能源獲取方便、潔能等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代燃油汽車。電池系統(tǒng)作為新能源汽車的心臟，與電控、電機(jī)被稱為新能源電動汽車的三大核心部件[1]。鋰電池在過充情況下會出現(xiàn)能量過剩，電解液分解產(chǎn)生自燃或破裂現(xiàn)象。在電池過放時，會由于電解液分解導(dǎo)致電池特性和耐久性惡化，縮短電池的使用壽命。電池充放電電流超過額定值時會導(dǎo)致電池溫度過高，造成電池永久性損傷。由于生產(chǎn)過程中的誤差和實(shí)際使用過程中的區(qū)別，會導(dǎo)致電池容量、電池電壓、單體電池容量衰減速率、內(nèi)阻衰減速率以及電池組溫度分布上出現(xiàn)差異，從而會出現(xiàn)電池充不滿、放不空的情況。因此，針對鋰電池在使用過程中出現(xiàn)電池過充、過放、過流以及充放電不均衡現(xiàn)象，需要對電池進(jìn)行電池管理。本文主要介紹電池管理系統(tǒng)的功能、組成結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測電池管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 BMS定義

電池管理系統(tǒng)英文為Battery Management System（BMS），是電動汽車動力電池系統(tǒng)的重要組成部分。它的主要目的是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，從安全性、耐久性和動力性3個方面提供作用[2]，主要通過監(jiān)控電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，防止電池出現(xiàn)過充和過放的情況。通過對電池的合理使用和養(yǎng)護(hù)，以延長電池的使用壽命，并應(yīng)對可能危害電池壽命的情況進(jìn)行報(bào)警和對已危害電池壽命的情況提供保護(hù)。

2 BMS組成

電池管理系統(tǒng)需要監(jiān)測電池的電壓、電流以及電池溫度等傳感信息，及時調(diào)整電動汽車的運(yùn)行狀態(tài)，更加合理地利用電池。同時，電池管理系統(tǒng)需要分析歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)電池的使用情況和使用者的充電習(xí)慣選擇更為針對性的充放電管理。國際電工學(xué)會定義電池管理系統(tǒng)的主要功能包括電池荷電狀態(tài)估計(jì)、電池老化信息、電池關(guān)鍵信息監(jiān)測以及電池性能異常報(bào)警[3]。我國給出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了電池管理系統(tǒng)的基本功能：（1）電池?cái)?shù)據(jù)采集和處理；（2）剩余電量估算和顯示；（3）充放電能量管理與過程控制；（4）安全預(yù)警與控制；（5）信息處理與實(shí)時通信。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，人們對電動汽車的安全性、信息準(zhǔn)確性以及可行駛里程都提出了更為嚴(yán)格的要求，因此現(xiàn)在電池管理系統(tǒng)所包含的功能越來越全面，如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)組成

2.1 電池關(guān)鍵信息采集

電池在使用過程中需要采集單體電池電壓信息、關(guān)鍵點(diǎn)處的溫度信息和總體電池充放電電流信息。這些采集到的電池關(guān)鍵信息是電池管理系統(tǒng)對電池和動力裝置進(jìn)行控制的控制算法和策略的前提和基礎(chǔ)，因此信息的采樣速率和精度均會影響電池管理系統(tǒng)的性能。為了更好地實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的優(yōu)越性能，需要對電池關(guān)鍵信息進(jìn)行實(shí)時、快速以及精確采樣[4]。同時，需要保存采樣數(shù)據(jù)并形成電池使用日志，以便后續(xù)針對特定電池和使用者開發(fā)性能更優(yōu)異的電池管理系統(tǒng)。

2.2 電池狀態(tài)估計(jì)

隨著使用者對動力汽車要求的不斷提高，電池管理系統(tǒng)需要準(zhǔn)確了解電池狀態(tài)。目前，電池管理系統(tǒng)需要估計(jì)電池荷電狀態(tài)、電池功率狀態(tài)、電池健康狀態(tài)和電池剩余壽命，以準(zhǔn)確估計(jì)電池實(shí)時狀態(tài)[1]。電池荷電狀態(tài)是電池剩余容量與其充滿狀態(tài)時容量的比值。準(zhǔn)確估算電池荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)管理電池的基礎(chǔ)[5]。估算的準(zhǔn)確性關(guān)系到電池管理系統(tǒng)對單體電池間均衡的管理，關(guān)系到電池的充放電控制和優(yōu)化管理，同時也是準(zhǔn)確評估電動汽車?yán)m(xù)航里程的重要參數(shù)。目前，估算電池荷電狀態(tài)的算法主要包括放電法、開路電壓法、安時積分法和內(nèi)阻法等傳統(tǒng)方法，以及卡爾曼濾波法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]和粒子濾波法等新型估算方法。電池功率狀態(tài)是電池的峰值功率和額定功率的比值。準(zhǔn)確估算電池功率狀態(tài)，可以在正常使用電池的條件下，滿足電動汽車在啟動狀態(tài)、加速狀態(tài)、爬坡狀態(tài)、制動能量回收狀態(tài)以及快速充電等方面的功率要求，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率和電動機(jī)功率兩者之間的最優(yōu)化分配。目前，估算電池功率狀態(tài)的方法可分為基于峰值電流和基于峰值狀態(tài)[7]兩種方法。電池健康狀態(tài)是反映電池健康狀態(tài)的百分比形式參數(shù)，通常用電池容量變化量和電池內(nèi)阻變化量兩個參數(shù)來表征電池健康狀態(tài)。精確估算電池健康狀態(tài)可以及時更換有安全隱患的電池。電池健康狀態(tài)估計(jì)策略包括基于電池耐久性模型的開環(huán)估算方法和基于電池等效電路模型的參數(shù)辨識閉環(huán)估算方法。電池剩余壽命估算是用來表征電動汽車壽命狀態(tài)的參數(shù)。

2.3 電池安全保護(hù)與報(bào)警

電池安全保護(hù)是指當(dāng)電池出現(xiàn)安全故障時能夠診斷出現(xiàn)的故障，根據(jù)故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行報(bào)警甚至保護(hù)。電池安全故障包括電池組故障、高壓回路故障、傳感器故障以及執(zhí)行器故障等各種外圍設(shè)備的軟硬件故障。電池組故障包括單體電池過壓、單體電池欠壓、充放電過流、輸出短路、單體電池低溫、單體電池高溫以及電池荷電狀態(tài)超限等故障。

2.4 電池電量均衡管理

電池組由多個單體電池通過串并聯(lián)組成。由于生產(chǎn)過程中的誤差和實(shí)際使用過程中的區(qū)別，會導(dǎo)致電池容量、電池電壓、單體電池容量衰減速率、內(nèi)阻衰減速率以及電池組溫度分布上出現(xiàn)差異。電池組的使用壽命可能不到單體電池循環(huán)壽命的20%，因此需要對電池組進(jìn)行電量均衡管理。電量均衡管理可分為電化學(xué)均衡和物理均衡。物理均衡可通過在單體電池端并聯(lián)電阻的被動均衡和通過開關(guān)電容拓?fù)洹㈤_關(guān)電感拓?fù)湟约伴_關(guān)變壓器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)電池間能量無損流動的主動均衡。

2.5 熱管理

電池性能受環(huán)境溫度影響較大。過高的環(huán)境溫度影響電池正極晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，縮短電池使用壽命；過低的環(huán)境溫度降低了電芯材料化學(xué)特性，材料能量利用率減小，降低了電池的可用容量[1]。因此，需要對電池進(jìn)行熱管理，以使電池工作在高效率溫度區(qū)間內(nèi)，從而使電池工作在最佳性能狀態(tài)。

2.6 通信管理

通信管理主要包括電池組間電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互和與整車控制器、發(fā)動機(jī)控制器、電動機(jī)控制器等車載設(shè)備進(jìn)行核心控制數(shù)據(jù)交互，將實(shí)時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，遠(yuǎn)程控制終端等設(shè)備并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

3 BMS發(fā)展趨勢

（1）狀態(tài)估算技術(shù)。針對SOC、SOH、SOP等技術(shù)的精確預(yù)估是未來研究的重點(diǎn)。基于電池信息的精確建模，結(jié)合信息管理、大數(shù)據(jù)、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)算法，最終實(shí)現(xiàn)電池全生命周期的高精度狀態(tài)估計(jì)。

（2）主動均衡技術(shù)。主動均衡技術(shù)可以大大改善電池組的一致性，提高電池組的使用壽命。此外，隨著動力電池的梯次利用發(fā)展，主動均衡技術(shù)可以極大地提高梯次電池的使用效率。

（3）分布式電池管理系統(tǒng)。分布式電池管理系統(tǒng)是將電池模組和電池采集單元集成在一起，實(shí)現(xiàn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化電池模組。

（4）電池的診斷技術(shù)。

4 結(jié) 論

目前，針對電池管理系統(tǒng)的研究還不完善，在電池充放電管理的可靠性、電池電量均衡管理、電池狀態(tài)估算方面還有欠缺。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題終會得到完美解決。因此，新能源汽車最終會取代燃油汽車成為消費(fèi)者的不二選擇。