鋰離子電池管理系統在電動汽車中的應用

黃繼剛，李 琳，許趙瑞

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

鋰離子電池管理系統在電動汽車中的應用

黃繼剛，李 琳，許趙瑞

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

詳細介紹鋰離子電池管理系統中的問題以及現今的監控手段，針對問題提供更好的解決方法。

鋰離子電池管理系統；電量狀態；健康狀態；使用壽命狀態

目前，電動汽車已實現商業化，鋰離子電池由于能量密度高、容量大和續航能力強作為主要電源被廣泛應用。但單節鋰離子電池間往往存在內阻、容量和電壓等差異，實際使用中易出現散熱不均或過度充放電等現象。為了保證鋰離子的安全運行，需要引入電化學管理系統來對電池組進行有效地監控、電池均衡和故障報警，從而提高電池組的工作效率和安全性。考慮到電動汽車市場的迅速發展，迫切需要發展成熟的電池管理系統（BMS）［1-3］。當前，智能手機和筆記本電腦的電池管理系統無法應用在電動汽車上，這是因為電動汽車電池組中電池的數量是便攜設備的數百倍。此外，電動汽車的電池組不僅是耐久的能源系統，而且是高倍系統。換言之，電動汽車的電池組需要提供高電壓和高電流，這就使得其電池管理系統更加復雜。電池管理系統（圖1）應該包括電池監控系統和保護系統，在電池高效安全傳輸電能的同時保證電池的循環壽命。其主要任務是保證電池組安全高效地工作，提供行駛過程中所需的信息，在出現異常情況時及時報警，并根據不同行駛環境、電池狀態及行駛需求來自動調節電池的充放電功率。電池管理系統通過傳輸裝置與電動汽車的各個控制器連接，首先利用數據采集模塊收集電池組的電壓、電流和溫度等數據，發送到主控模塊，主控系統對數據進行分析處理，作出合理的程序控制和指令，對電池組進行調控，同時將數據實時發送到顯示系統。BMS的主要功能有電池參數監測、電池狀態評估、故障診斷報警、自動均衡和熱管理［4-5］。

圖1 電池管理系統示意圖

市場上，商業化的電動汽車電池管理系統雖各不相同，但普遍存在以下不足。

1）有限的數據記錄功能。這些數據可以用來建立和更新實時荷電狀態（SOC）。

2）缺少健康狀態（SOH）和使用壽命（SOL）的評估。二者是確保電動汽車的可靠行駛和電池定期維修的依據。

3）各電池管理系統之間不可替換。因為每個電池管理系統都有自己的算法和交流機制。

1 電動汽車電池管理系統的問題

鋰離子電池由于電能密度高、循環壽命長、自放電性能低被廣泛應用在電動汽車領域，然而其發展卻很緩慢，這主要是歸咎于以下3個方面：① 電池狀態的評估；②電池組建模；③電池均衡。

1.1 電池狀態的評估

電池狀態評估不僅有助于判斷電池運行環境的安全可靠，還反映了充放電信息。通常，電池狀態包括荷電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）［6］。SOC類似于傳統汽車的油表，但是它難以監測電池的充放電循環情況，因此其精度和糾錯能力難以提高。SOH是指電池的健康狀態，它包括2部分：容量和功率的變化情況。一般情況下，當容量衰減20%或者輸出功率衰減25%時，電池的壽命就快結束了，但這并不是說車就不能開了。對于純電動汽車（EV）來說，容量的估算要更重要，因為它與續航里程有直接關系，而功率限制只是在SOC較低的時候才重要。

1.2 電池組建模

由于鋰離子電池復雜的電化學機制，很難建立電池模型。當前，根據不同材料的特性和多種等效電路來建立電池模型，以前通過Matlab設計電池模型進而評估SOC，但它是基于充放電過程中的內阻為常數來模擬的，所以其準確性仍有待改善?？紤]到電池容量會隨著充放電循環而不斷損失，筆者建立了電池的衰減模型，模型里面的參數主要根據特定正負極材料的物理性能來確定，另外，外部因素（比如環境溫度和放電過流）都將使得靜態模型的準確率大大降低。

1.3 電池均衡

在電動汽車中，因為電池單元通過串、并聯組裝成電池組以滿足高電壓高容量的要求，所以總會出現不均衡的現象。在實際使用中，每個電池的輸出電壓和容量是不一樣的。單個電池有過充和過放的限制，從而影響到整個電池組。為了降低這一影響，進而延長電池壽命，需建立電池均衡機制，確保所有電池的荷電狀態基本一致。通常的方法一般分為2類：耗散型和非耗散型。這2種方法都可以實現電量調節甚至消除單個電池的不平衡電壓。耗散型的平衡器是通過并聯電阻促進過量的電能以熱能的形式消散，而非耗散型的平衡器是利用轉換器、感應器和電容器來進行多余能量的轉移。電池間電荷交換使得充放電過程更加復雜，均衡技術依賴于SOC的準確性，所以SOC是BMS中最重要的參數，沒有精確的SOC數據，將無法使BMS正常工作［7］。

2 本文提出的電池管理系統BMS

通過全面的評價，鑒別了目前BMS的缺陷。為了解決這些缺陷，筆者認為一個全面且成熟的BMS應該有如圖2所示的基本組件。

圖2 BMS的軟硬件模塊

2.1 硬件

電池管理系統很早就引用了安全電路，但因筆者提出的BMS有更多的傳感器，現有安全電路的設計要加以改進，例如加入防止過度充放電、過熱的精確報警模塊等。

傳感器系統包括用于監測電壓、溫度、電流等電池參數的多個傳感器。一些研究者建議采用EIS來監視內部阻抗，但實驗室環境外的空間和成本因素限制了它的可行性。因此為了改進對現實生活中電池狀態的監測，筆者只測量電流、電壓和溫度。

數據獲?。―AQ）和存儲是BMS軟件的重要組成部分，通過分析這些數據來建立一個用于系統建模的數據庫。

電量控制子系統用于管理充放電協議。電池經常會用常電流（CC）或常電壓（CV）充電，因而要有穩壓器和穩流器，同時也需要可變電阻來平衡電池或測量內部阻抗。電池平衡控制是設計重心，在平衡電池組和高效估計電池狀態方面它依然有改進的空間。

大部分BMS的子系統都是獨立的模塊，因此BMS內數據傳輸是必須的，CAN總線是BMS內部的主要通信方式。隨著智能電池的發展，越來越多的數據能被收集來展示給用戶，或通過電池內的微芯片傳遞給充電器。除此之外，無線和遠程通信也逐漸被充電系統用于電池和充電器間的通信。

電池必須在合適的溫度條件下運行。發熱管理模塊非常重要，因為溫度會影響電池平衡、可靠性和性能。

2.2 軟件

軟件是整個BMS的中心，因為它控制所有硬件的運行，并且利用傳感器數據來作出決策和狀態估計。開關控制，傳感器系統的采樣率監視，電池平衡控制，甚至動態安全電路的設計都需要BMS的軟件。另外，不間斷地更新和控制電池需要實時的數據處理和分析，可靠的自動數據分析是成功的關鍵。因為狀態估計和錯誤檢測都是通過分析來完成的。這些信息都會通過一個友好的界面來展示給用戶并給出合理的建議。

BMS軟件的具體功能如下：①SOC和SOH的確定會被整合于能量評估中。能量評估也能顯示電池壽命并利用模糊邏輯、神經網絡、狀態空間模型等先進的算法設定使用限制［8］。②電池平衡的目標是在避免過充過放的情況下最大發揮電池性能。自然的辦法是讓電池的SOC級別盡量接近。控制器包含全面的策略，利用每個電池的SOC控制充電過程。因此，準確估計每個電池的SOC是提高平衡性的基礎。③大多數軟錯誤會被實時數據處理發現。需要數據處理系統來分析，進而提供電池錯誤警告并指出超過極限的狀況。通過記錄歷史數據來分析錯誤發生前的狀況［9］。④用戶界面用來向用戶展示BMS的必要信息。在儀表板上顯示SOC、工作電流、工作電壓等。另外，根據SOH、SOL給出用戶異常警告和更換建議。

3 BMS的挑戰與解決方法

當前BMS仍然處于不成熟的狀態，即使最先進的算法和控制方法，BMS的可靠性仍然遭到終端用戶的質疑。因此在未來的發展中，要做到實驗與實際相結合。研究大量的實驗方法去評估鋰離子電池組的性能，卻基本上難以達到硬件的要求，比如阻抗的測量，成本高且無可行性。與此同時，實驗室無法模擬真實環境，中央處理器也有很高的計算復雜度。所以，必須在高性能和可行性間找到可行的方法。

3.1 環境溫度變化的電池容量評估

根據特定的材料、環境條件和充放電循環來設計電池狀態模型，在恒定的放電電壓和溫度下來評估電池狀態。Ng［10］闡述了鋰離子電池在不同放電電壓和速率下的SOC模型，然而它是基于單變量分析，仍無法適用于實際。圖3是在2個放電速率和溫度下的電池容量變化情況，可以看出在相同放電速率下溫度較大時電池容量明顯較高，在相同溫度下放電速率較大時電池容量明顯較低。因此，多變量會增加評估電池狀態的復雜性。

3.2 電池最大容量的評估

鋰離子電池的最大容量決定了其性能和未來的使用壽命，當前的評估方法主要依據是完全放電測試，由以下公式計算

圖3 18650型鋰離子電池在不同溫度和放電速率下的交替變化

可以看出，放電電流I為常數時，積分時間t越長，容量C越高?？墒请姵夭粫诤愣ǚ烹婋娏飨卤灰恢狈烹?，也不會在截止電壓處容量耗盡。在實際應用中，常見的是部分放電和多變的放電電流密度，所以評估鋰離子電池的最大容量是個很大的挑戰。由于每個電池都是交替進行充放電，所以每個單電池的充電和放電速度存在差異，這會導致差異在電池組上的擴散性分布。在放電過程中，電池組中電壓低于平均值的電池會首先達到電壓限值，從而阻礙其余單電池安全放電。對此，我們可以采用電荷移動方案（圖4）使電池組在放電過程中實現平衡，通過電感耦合或電容性儲存從電壓高的電池取得能量，并將儲存的電能傳輸到最弱的單電池，從而減慢最弱單電池達到放電電壓限值的速度。

圖4 電荷移動方案

3.3 通信機制

電池管理系統需要對大量數據進行及時可靠地傳輸以保證電池組正常運轉，所以電池組要和電動汽車的內部模塊有效連接。CAN總線是現代汽車中廣泛采用的規格，其最大的優點是支持分布式控制和實時控制，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。通過CAN總線，鋰離子電池可以將電流狀態、使用歷史和SOC數據等傳輸到電池管理控制器。然而，由于不同的制造商和應用程序使得通信機制很難統一。此外，無線技術也被發展用來匯總內部環境數據、連通電池和充電器，所以在這一過程中，數據傳輸的可靠性和抗干擾性至關重要。

預測和健康管理是一個有效的策略，通過管理傳感器信號和處理電池狀態的實時數據，可以使評估和預判輸出合理的指令，傳達給用戶。由于電池內部電化學反應狀態很難準確得到，所以應該考慮多變量因素，測量和收集電流、電壓和溫度，并開發精確的、可行性的電池模型。在電池的循環過程中，因環境多變，電池性能會衰減，所以必須及時在電池組中篩選出故障電池。

4 結論

鋰離子電池作為電動汽車的最核心能源，其性能直接影響到電動汽車的穩定性，因此制造商們一直在尋求電池技術和電池管理技術的突破。本文討論了電池管理系統的電池狀態評估、電池模型和電池平衡，提出了電池管理系統的框架，以便解決當前電池管理系統的不足，依據不同的環境，應該開發不同的電池模型去優化電池管理系統。

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（編輯 凌 波）

The Application of Lithium-ion Battery Management System in Electric Vehicles

HUANG Ji-gang， LI Lin， XU Zhao-rui
（Nanhang Jincheng College， Nanjing 211156， China）

This paperdetailly introduces current problems in Lithium-ion battery management system and its monitoring methods， as well as possible solutions.

Lithium-ion battery management system； volume status； health status； working life status

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0005-04

2016-10-25 ；

2017-03-06

2016年江蘇省高等學校大學生創新訓練計劃項目（201613655014Y）

黃繼剛（1982-），男，江蘇蘇州人，講師，主要研究方向為汽車電子控制、汽車故障診斷。