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關(guān)于電池總體設(shè)計(jì)方案的探討 三部曲 之三 電池管理系統(tǒng)（BMS）技術(shù)篇

2022-01-23 00:22:28·  來源：汽車電子設(shè)計(jì)  
　
動(dòng)力電池系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)，包含的關(guān)鍵技術(shù)如圖1。此次計(jì)劃圍繞這純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開展系列文章，目的是梳理目前一些技術(shù)瓶頸以及探討當(dāng)前市場
動(dòng)力電池系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)，包含的關(guān)鍵技術(shù)如圖1。此次計(jì)劃圍繞這純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開展系列文章，目的是梳理目前一些技術(shù)瓶頸以及探討當(dāng)前市場上的應(yīng)對(duì)方案，希望能夠?qū)Υ蠹矣幸欢ǖ膸椭?。這次討論關(guān)于電池總體設(shè)計(jì)方案的探討三部曲之終結(jié)篇-電池管理系統(tǒng)技術(shù)篇。

圖1 純電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
通常動(dòng)力電池系統(tǒng)包括三大部分，電池包，電池管理系統(tǒng)以及電池傳感器和執(zhí)行器部分，而電池管理系統(tǒng)是對(duì)電池組和電池單元運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，精確測量電池的剩余容量, 同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充放電保護(hù),并使電池工作在最佳狀態(tài)。

圖2 電池管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖
電池管理系統(tǒng)與電池緊密結(jié)合在一起，對(duì)電池的電壓、電流溫度進(jìn)行時(shí)刻檢測，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報(bào)警提醒，計(jì)算剩余容量、放電功率，報(bào)告SOC/SOH狀態(tài)，還根據(jù)電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程、以及算法控制充電機(jī)進(jìn)行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。
電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類
目前行業(yè)內(nèi)關(guān)于電池管理系統(tǒng)主要分為兩類，集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

表1，不同類型電池管理系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)比

圖3 集中式電池管理系統(tǒng)

圖4 分布式電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
●電池均衡功能
電池由于生產(chǎn)工藝因素，電池自身內(nèi)阻因素導(dǎo)致電池一致性不同，故電池的電量不同在電池的充放電過程中表現(xiàn)出不同的特性。根據(jù)原因可以將電池分為兩類不一致性。

圖5 電池不一致性分類
BMS可以通過均衡功能解決電池組使用過程中存在的第一類不一致性和第二類不一致性。均衡分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡又叫能量耗散式均衡，被動(dòng)均衡以電阻能耗法為代表，該方法可以實(shí)現(xiàn)充電均衡。通過開關(guān)信號(hào)，高電池的能力以熱量的形式轉(zhuǎn)化，這類均衡通常需要注意考慮熱均衡管理，防止熱量過大，影響主板工作。主動(dòng)均衡，又叫能力轉(zhuǎn)移式均衡，利用電感或電容等儲(chǔ)能元件，把電池組中容量高的單體電池，通過儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池上。主動(dòng)均衡DC/DC變換器為代表，基于此主動(dòng)均衡又可以分為以下四種方式，每種方式均可以實(shí)現(xiàn)充電均衡和放電均衡 ：
●電池組向單體均衡（放電均衡效果尤佳）
●單體向電池組均衡（充電均衡效果尤佳）
●電池組與單體之間雙向均衡
●單體與單體之間均衡
圖6 被動(dòng)均衡示例

圖7 主動(dòng)均衡示例
需要著重說明的是，行業(yè)內(nèi)往往對(duì)電池管理系統(tǒng)的均衡功能存在一定的誤解，均衡無法對(duì)電池的一致性進(jìn)行修復(fù)，只能在一定程度上緩解電池的不一致導(dǎo)致的影響。均衡只能起到調(diào)理作用，“治標(biāo)不治本”。純粹的充電均衡或者放電均衡只能解決第二類不一致性問題，且依賴于均衡能力，對(duì)電池自身容量差異（第一類不一致性）毫無辦法，只有同時(shí)具備充放電均衡才能改善第一類不一致性。因此從上游提升電芯生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，保證電池產(chǎn)品的一致性才是解決此類問題的根本辦法。
●電池管理系統(tǒng)狀態(tài)（SOC,SOH,SOP,SOE）評(píng)估
穩(wěn)定性和可靠性是BMS的基礎(chǔ)，忽視穩(wěn)定性和可靠性其他一切無從談起。電池管理狀態(tài)(SOC,SOH,SOP,SOE)的評(píng)估取決于電芯電壓和電芯溫度，以及電池電流等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
當(dāng)前市場上BMS多數(shù)不具備檢測所有單體電池電芯溫度的功能，但是從技術(shù)角度考慮，采集每支電池的電芯溫度非常重要。電池連接松動(dòng)、使用不當(dāng)、內(nèi)部出現(xiàn)故障等情況下，很重要的表現(xiàn)就是溫度上升，通過檢測每支電池的電芯溫度可以實(shí)時(shí)了解電池運(yùn)行狀況，提供異常報(bào)警，避免發(fā)生事故。
幾乎所有的BMS都具備電流測量功能，BMS將測量到的電流傳遞給主控制器，形成閉環(huán)反饋控制。一方面可以準(zhǔn)確控制充電過程中充電機(jī)的輸出電流，實(shí)現(xiàn)既定充電策略；另一方面控制負(fù)載放電電流，保護(hù)電池放電過程中的安全。BMS對(duì)電流測量的精度要求很高，因?yàn)樵S多BMS的SOC基于電流計(jì)算，高精度的電流測量才能夠保證高精度的SOC計(jì)算。選擇BMS時(shí)，電流精度越高越好。
SOC測算是BMS必不可少的功能，通過SOC用戶可以預(yù)估電池的剩余電量。單體電池的SOC測算也非常重要，因?yàn)樽钚误w的SOC決定了整個(gè)電池組的SOC，也有廠家通過單體SOC判斷均衡使能。但是SOC測算是行業(yè)難題，很難有一種算法能夠適應(yīng)所有型號(hào)電池以及所有使用條件。
總結(jié)：近幾年隨著通訊技術(shù)進(jìn)步，逐步出現(xiàn)無線BMS技術(shù)和采樣精度更高的電器元件，在作者看來，BMS在滿足基本功能的前提下，兼顧系統(tǒng)可靠性和成本要素，尋求均衡即可，不必過分追求極致的性能參數(shù)。對(duì)于電池管理系統(tǒng)的均衡功能，單獨(dú)的充電均衡或者放電均衡對(duì)容量差異無明顯改善作用，只有大電流充放電均衡才能改善容量不一致性。從上游提升電芯生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，保證電池產(chǎn)品的一致性才是解決此類問題的根本辦法。
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