電池管理系統研究

張明軍

（南京蘇逸實業有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在全球氣候變暖、環境污染以及能源危機日益嚴重的今天，新能源汽車因能源獲取方便、潔能等優點逐漸取代燃油汽車。電池系統作為新能源汽車的心臟，與電控、電機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能量過剩，電解液分解產生自燃或破裂現象。在電池過放時，會由于電解液分解導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致電池溫度過高，造成電池永久性損傷。由于生產過程中的誤差和實際使用過程中的區別，會導致電池容量、電池電壓、單體電池容量衰減速率、內阻衰減速率以及電池組溫度分布上出現差異，從而會出現電池充不滿、放不空的情況。因此，針對鋰電池在使用過程中出現電池過充、過放、過流以及充放電不均衡現象，需要對電池進行電池管理。本文主要介紹電池管理系統的功能、組成結構，并在此基礎上預測電池管理系統的發展方向。

1 BMS定義

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

2 BMS組成

電池管理系統需要監測電池的電壓、電流以及電池溫度等傳感信息，及時調整電動汽車的運行狀態，更加合理地利用電池。同時，電池管理系統需要分析歷史數據，根據電池的使用情況和使用者的充電習慣選擇更為針對性的充放電管理。國際電工學會定義電池管理系統的主要功能包括電池荷電狀態估計、電池老化信息、電池關鍵信息監測以及電池性能異常報警[3]。我國給出的行業標準中明確規定了電池管理系統的基本功能：（1）電池數據采集和處理；（2）剩余電量估算和顯示；（3）充放電能量管理與過程控制；（4）安全預警與控制；（5）信息處理與實時通信。隨著科學技術的日新月異，人們對電動汽車的安全性、信息準確性以及可行駛里程都提出了更為嚴格的要求，因此現在電池管理系統所包含的功能越來越全面，如圖1所示。

圖1 電池管理系統組成

2.1 電池關鍵信息采集

電池在使用過程中需要采集單體電池電壓信息、關鍵點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鍵信息是電池管理系統對電池和動力裝置進行控制的控制算法和策略的前提和基礎，因此信息的采樣速率和精度均會影響電池管理系統的性能。為了更好地實現電池管理系統的優越性能，需要對電池關鍵信息進行實時、快速以及精確采樣[4]。同時，需要保存采樣數據并形成電池使用日志，以便后續針對特定電池和使用者開發性能更優異的電池管理系統。

2.2 電池狀態估計

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

2.3 電池安全保護與報警

電池安全保護是指當電池出現安全故障時能夠診斷出現的故障，根據故障的嚴重程度進行報警甚至保護。電池安全故障包括電池組故障、高壓回路故障、傳感器故障以及執行器故障等各種外圍設備的軟硬件故障。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組成。由于生產過程中的誤差和實際使用過程中的區別，會導致電池容量、電池電壓、單體電池容量衰減速率、內阻衰減速率以及電池組溫度分布上出現差異。電池組的使用壽命可能不到單體電池循環壽命的20%，因此需要對電池組進行電量均衡管理。電量均衡管理可分為電化學均衡和物理均衡。物理均衡可通過在單體電池端并聯電阻的被動均衡和通過開關電容拓撲、開關電感拓撲以及開關變壓器拓撲實現電池間能量無損流動的主動均衡。

2.5 熱管理

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

2.6 通信管理

通信管理主要包括電池組間電池管理系統數據交互和與整車控制器、發動機控制器、電動機控制器等車載設備進行核心控制數據交互，將實時數據以及歷史數據傳給上位機，遠程控制終端等設備并進行數據存儲。

3 BMS發展趨勢

（1）狀態估算技術。針對SOC、SOH、SOP等技術的精確預估是未來研究的重點。基于電池信息的精確建模，結合信息管理、大數據、自適應的學習算法，最終實現電池全生命周期的高精度狀態估計。

（2）主動均衡技術。主動均衡技術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展，主動均衡技術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。分布式電池管理系統是將電池模組和電池采集單元集成在一起，實現智能化和標準化電池模組。

（4）電池的診斷技術。

4 結 論

目前，針對電池管理系統的研究還不完善，在電池充放電管理的可靠性、電池電量均衡管理、電池狀態估算方面還有欠缺。隨著科學技術的不斷進步，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者的不二選擇。