新能源汽車鋰電池的BMS功能性設(shè)計研究

張紅超

摘 要：隨著我國汽車保有量不斷上升，對能源消耗量越來越大，不僅不利于能源的可持續(xù)發(fā)展，同時汽車尾氣也會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的破壞。新能源汽車的出現(xiàn)能有效解決這些問題。鋰電池是新能源汽車的核心，也是新能源汽車動力所在，必須要加強(qiáng)對鋰電池的監(jiān)測與管理。BMS是專門獲取鋰電池各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)的分析來控制電池的充電與放電工作，并對電池荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)進(jìn)行評估，保證鋰電池工作的穩(wěn)定性與安全性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;鋰電池;BMS

中圖分類號：TM912文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0118-03

Research on Functional Design of BMS Based

on New Energy Vehicle Lithium Battery

ZHANG Hongchao

（Chengde College of Applied Technology，Chengde Hebei 067000）

Abstract： With the continuous increase of car ownership in China， the energy consumption is increasing， which is not conducive to the sustainable development of energy， but also has great damage to the ecological environment. The emergence of new energy vehicles can effectively solve these problems. Lithium battery is the core of new energy vehicles and the power of new energy vehicles. It is necessary to strengthen the monitoring and management of lithium batteries. BMS is a special system to obtain the working data of lithium battery. It controls the charging and discharging of the battery by analyzing the data， and evaluates the state of charge and health of the battery， so as to ensure the stability and safety of lithium battery.

Keywords： new energy vehicles;lithium battery;BMS

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平逐步提升，越來越多的家庭有能力購買私家車，由此導(dǎo)致我國私家車數(shù)量急劇增加。據(jù)我國公安部門統(tǒng)計，截至2020年6月，機(jī)動車保有量達(dá)到了3.6億輛，其中汽車數(shù)量為2.7億輛，龐大的汽車數(shù)量造成能源消耗十分嚴(yán)重，也產(chǎn)生了較多的大氣污染及噪聲污染。為了解決這些問題，保證能源可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境安全，我國開始大力發(fā)展新能源汽車。現(xiàn)階段鋰電池是新能源汽車中常用的電池類型，并且在能量密度以及電池管理系統(tǒng)（BMS）等方面獲得了較大的進(jìn)步。電池管理系統(tǒng)（BMS）是鋰電池工作體系中較為關(guān)鍵的一部分，具有至關(guān)重要的作用。BMS的主要職能是獲取汽車能源系統(tǒng)的電壓、電流、溫度及高壓互鎖情況等數(shù)據(jù)，緊接著根據(jù)汽車的使用狀況及相關(guān)數(shù)據(jù)，采取科學(xué)的方法管理新能源汽車電池的放電與充電過程，在保證鋰電池安全工作的基礎(chǔ)上，確保動力系統(tǒng)可以存儲更多電量，提高汽車的行駛里程及電池電量的利用效率[1]。

1 電池數(shù)據(jù)采集

新能源汽車工作過程中需要經(jīng)歷各種復(fù)雜的工況，鋰電池的使用環(huán)境也是不斷發(fā)生變化的，為了保證鋰電池能穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，必須要對鋰電池的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，科學(xué)控制鋰電池的工作方式。通常情況下，鋰電池數(shù)據(jù)采集涵蓋電池的電壓、電流、溫度及高壓互鎖情況等數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，進(jìn)而開展電池工作狀況分析，為系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令提供數(shù)據(jù)支持[2]。

鋰電池電壓數(shù)據(jù)的收集工作包括三個部分：各個電芯自身的電壓值、電池模塊內(nèi)部總電壓以及電池模塊外部總電壓。電池溫度采集也包括了多個方面，主要有電芯外表溫度、極耳自身溫度、冷卻液首末端溫度、充電端口溫度及BMS系統(tǒng)硬件溫度等[3]。對鋰電池電流數(shù)據(jù)的收集一般是基于分流器以及霍爾電流傳感器等獲得鋰電池工作體系中主電路與回路的電流值，同時將采集的數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過安時積分的方式分析當(dāng)下鋰電池工作狀態(tài)。絕緣電阻數(shù)據(jù)的采集主要是獲取電池模塊總正極位置到箱體處的電阻值、電池系統(tǒng)總負(fù)極到箱體處的電阻值。高壓互鎖是鋰電池系統(tǒng)中非常重要的安全裝置，在對該部分進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時，主要從兩個方面進(jìn)行，分別是高壓航插以及MSD的互鎖情況[4]。

2 電池狀態(tài)分析

2.1 鋰電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)的計算

荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）是鋰電池工作過程中非常重要的一個參數(shù)。因此，必須要提前對鋰電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行計算，其計算方法為電池現(xiàn)有的容量數(shù)值除以總?cè)萘浚玫降陌俜直葦?shù)值即為荷電狀態(tài)數(shù)值，具體計算公式見式（1）[5]：

2.2 鋰電池系統(tǒng)健康狀態(tài)評估

鋰電池系統(tǒng)健康狀態(tài)（State of Health，SOH）能直接反映出鋰電池的工作性能強(qiáng)弱，計算方法為電池已經(jīng)產(chǎn)生的滿充電次數(shù)除以理論意義上電池可以滿充電次數(shù)，所得到的百分比數(shù)值即為SOH數(shù)值，具體計算公式見式（2）[6]：

其中，鋰電池滿充電次數(shù)的計算方法是鋰電池使用至今所充電的總?cè)萘颗c理論電池總?cè)萘康谋戎怠?/p>

SOC以及SOH是鋰電池BMS系統(tǒng)非常重要的兩個數(shù)值，也是對新能源汽車?yán)m(xù)航里程計算的重要載體。在進(jìn)行SOC估算工作中，一般采用開路電壓法、阻抗法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。目前，大多數(shù)新能源汽車的BMS系統(tǒng)均是依托于安時積分法，并在此背景下獲取系統(tǒng)電路電壓、各種溫度狀況下的電池容量、各種電流大小背景下的電池充電與放電速度等數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)對SOC進(jìn)行調(diào)整。由于SOC在新能源汽車鋰電池管理中具有非常重要的作用，所以應(yīng)當(dāng)盡可能地提高SOC評估的準(zhǔn)確性，為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，許多BMS生產(chǎn)廠家及相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員將人工智能技術(shù)應(yīng)用到BMS數(shù)值估算中，以現(xiàn)有的安時積分法為載體，對鋰電池工作中的電壓、電流、溫度及電阻等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時收集，構(gòu)建動態(tài)的開路電壓（Open Circuit Voltage，OVC），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行SOC調(diào)整，從而降低SOC估算偏差[7]。

3 電池安全保護(hù)

新能源汽車電池系統(tǒng)工作過程非常復(fù)雜與煩瑣，也容易出現(xiàn)各種各樣的問題。由于鋰電池是一種高能化學(xué)原電池，當(dāng)出現(xiàn)故障時容易引發(fā)較大的安全事故，為此必須要加強(qiáng)電池的安全保護(hù)工作，在電池出現(xiàn)問題時及時采用有效措施，避免出現(xiàn)更大的問題。通常情況下，鋰電池在工作過程中容易產(chǎn)生電壓過高、電壓過低、溫度超高、溫度較低、電流過大、電壓以及溫度收集線路不通、高壓互鎖錯誤等問題。當(dāng)產(chǎn)生故障時，鋰電池的BMS系統(tǒng)要及時采取保護(hù)措施，并根據(jù)實(shí)際問題性質(zhì)以及影響大小分層次進(jìn)行干涉，例如，降低鋰電池的輸出功率、關(guān)閉鋰電池輸出等，保障鋰電池在工作中的安全性，并最大程度上提高電池現(xiàn)有電量的利用效率。

鋰電池工作過程中對溫度要求較為苛刻，只有處于適宜的溫度范圍才能充分發(fā)揮出鋰電池的優(yōu)勢。當(dāng)鋰電池的工作溫度較低或者較高時，其在充電與放電過程中，BSM系統(tǒng)會采集電芯外表層與極耳的溫度、冷卻液始末端溫度等數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給車載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息采取相應(yīng)的措施。當(dāng)鋰電池溫度過高時，系統(tǒng)會增加冷卻液的流量，降低鋰電池工作溫度;當(dāng)鋰電池溫度過低時，系統(tǒng)會對鋰電池進(jìn)行加熱處理，提高鋰電池工作溫度，保證鋰電池始終處于規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，從而提高鋰電池充電與放電的效率[8]。

為了盡可能地縮短新能源汽車電池的充電時間，許多汽車生產(chǎn)廠家都給汽車配備了快充端口，能夠有效提高電池充電效率。BMS系統(tǒng)會采集汽車快充端口的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，從而判斷出充電端口連接是否正常，也可以避免由于電流過大導(dǎo)致充電端口溫度過高的問題，從而防止出現(xiàn)安全事故。

4 電池系統(tǒng)能量控制

4.1 充電管理

BMS系統(tǒng)獲取鋰電池當(dāng)下的電芯溫度，并結(jié)合荷電狀態(tài)對鋰電池系統(tǒng)充電功率的影響，核算出鋰電池可以承受的最大充電電流。鋰電池在充電過程中，BMS系統(tǒng)會先獲取鋰電池允許的最大單體電壓、最大總電壓、最大溫度及最大電流等數(shù)值，并將這些參數(shù)和充電樁、充電器等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行比對，為鋰電池充電提供最合理的充電電壓、電流以及充電模式等，從而在保證安全的基礎(chǔ)上盡可能快地提高電池充電效率。此外，鋰電池管理系統(tǒng)通過結(jié)合充電設(shè)備極限輸出水平以及鋰電池當(dāng)下充電容量，可以計算出鋰電池充滿電需要的總時長。

4.2 放電管理

放電管理也是鋰電池管理系統(tǒng)中非常重要的一部分，首先需要獲取鋰電池工作的實(shí)時溫度，結(jié)合SOC數(shù)值開展鋰電池系統(tǒng)的10 s/30 s最大放電與穩(wěn)定放電功率MAP計算工作，將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給汽車微控制器（MCU），緊接著MCU將電機(jī)需要功率[P1]和收到的最大放電功率[Pmax]、穩(wěn)定放電功率[Pc]數(shù)值進(jìn)行對比。假如[P1]大于[Pmax]，依照鋰電池最大功率[Pmax]進(jìn)行供電，并同步開展計時程序，當(dāng)計時結(jié)束以后從最大放電功率[Pmax]轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定放電功率[Pc];假如[P1]小于[Pc]，BMS會在下次放電采取最大放電功率[Pmax]方式進(jìn)行。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代新能源汽車市場份額越來越大，BMS系統(tǒng)在鋰電池管理中的作用也更加重要。精準(zhǔn)獲取新能源汽車鋰電池各項(xiàng)參數(shù)，可以為系統(tǒng)開展各項(xiàng)工作提供數(shù)據(jù)支持，保證新能源汽車鋰電池工作的穩(wěn)定性與安全性。

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