電動汽車BMS關鍵技術探究

背景概況

BatteryManagementSystem

BMS

電池管理系統作為連接電動汽車（電力能源車）電池組、整車系統和電機的重要橋梁，通過與動力電池緊密結合的傳感器，對電池的電壓、電流、溫度等進行實時檢測，實現對汽車電動系統的全面管理。BMS的關鍵作用是避免應用中的電池過度充、放電，改善電池組中各單體電池的不對稱性，提高電池組的效率，延長其使用壽命。BMS檢測單個電池及整個電池組的工作參數（如電壓、電流以及溫度等），與整車監控系統、車載充電機進行實時總線通訊，這對預測整個汽車電池的安全性能非常重要?？傊?，作為電池系統的核心，BMS在電動汽車中扮演著重要的角色，對BMS關鍵技術的探究具有重要意義。

BMS類別&功能概述

（一）BMS基本類別

BMS按拓撲連接結構分類可分為集中式、模塊式、主從式、分布式。（1）集中式BMS的所有單體電池均位于一個封裝模塊內，從封裝模塊內部延伸出一束導線（N個單體電池為N+1根導線），然后每根導線分別連接到每個單體電池上。集中式BMS具有結構緊湊、價格低廉以及檢修便利等優點。（2）模塊式BMS被分為多個相同的子模塊，每個封裝的導線分別連接電池內部不同的模塊。模塊式BMS除具有集中式結構優點外，還具有BMS子模塊到單體電池間連接結構簡單、子模塊與電池距離近以及BMS子模塊易于拓展等優點。（3）主從式BMS由主模塊與多個相同子模塊（即從屬模塊）構成，主模塊主要負責計算和通信，各個子模塊則負責測量單體電池電壓。主從式拓撲結構制造成本低廉，且兼具模塊式拓撲結構多數優點。（4）分布式BMS指電子器件與待測單體電池一起被直接安裝在電路板上，分布式BMS也具有連接簡便的優點。集中式、模塊式、主從式以及分布式的結構如圖1所示：

圖1

BMS根據處理系統的不同也可分為BMS模擬系統（簡單系統）和BMS數字系統（復雜系統）。

（1）BMS模擬系統指以模擬電路（如模擬比較器、放大器、差分電路或者類似的元件）處理單體電池電壓，這種系統設計簡單、方便實現，但其不能檢測單體電池電量，即只能檢測到某個單體電池電壓過低，但無法獲知該單體電池電壓的具體數值。

（2）BMS數字系統則可以準確檢測每個單體電池的電壓、溫度等狀態，將單體電池電壓的上述狀態處理為數字信號。模擬系統與數字系統的基本控制原理分別如圖2、圖3所示：

圖2：模擬系統基本控制原理

圖3：數字系統基本控制原理

（二）BMS基本功能模塊

1.恒流恒壓充電板塊

恒流恒壓充電板塊是用于對電池進行標準、規范化充電的裝置，其中“恒壓”和“恒流”表示兩種工作模式，即恒流模式（ConstantCurrentmode，CCmode）和恒壓模式（ConstantVoltagemode，CVmode）。其中CCmode指電池組在開始充電之后，充電裝置將會輸出一個固定的充電電流，在整個充電過程中電池兩端電壓逐漸增大；CVmode指當電池組接近滿充、電池電壓接近恒定時，充電器維持該恒定充電電壓，在接下來的充電過程中，充電器的充電電流將以指數形式進行衰減，直至電池滿充。

2.分流板塊

分流板塊的功能為均衡電池組，分流板塊與單體電池并聯，當單體電池處于滿充狀態時，分流板塊為避免電池處于過充狀態，會旁路掉流入的部分或者全部電流。

3.檢測板塊

檢測板塊的作用是檢測參數，其不具有主動地控制充、放電的能力。其功能一般包括：

●測量每個單體電池電壓；

●測量電池組的電流及溫度；

●編譯數據；

●計算或評估電池組的狀態，如荷電狀態（StateofCharge，SOC）；

●顯示結果；

●警告功能。

4.控制板塊

控制板塊可以在接收到每個單體電池的電壓后，實現閉環控制?？刂瓢鍓K不能切斷電池組電流，只能向其他設備（如充電器、負載）發出指令，以達到減少或者切斷電池組電流的目的。

5.均衡板塊

均衡板塊通過改善電池組中各單體電池的不對稱性來實現電池組性能的最大化。其具備通訊功能，可以向系統內其他部分傳輸數據。均衡板塊的連線方式使之可以控制充電電源和放電負載。

6.保護板塊

保護板塊功能類似均衡板塊，但比均衡板塊多了一個可關斷電流的開關。更適用于小型電池的管理。

7.功能涉及技術歸納如圖4所示：

圖4

BMS關鍵技術分析

（一）測量技術

1.測量技術之測電壓

BMS首要功能就是收集數據、測量信號，包括：單體電池電壓、單體電池溫度，或電池模塊溫度、電池組電流。電壓信號由模擬多路調制器采集得到，通過模數轉換器讀取數據并傳輸至處理器。

電壓檢測一般有三種檢測結構，即離散型電壓檢測結構、單極復用型電壓檢測結構以及差動復用型電壓檢測結構。具體而言，在離散型電壓檢測結構中，分布式BMS可以直接測量單體電池的電壓，電池板在測量單體電壓時一般都由單體電池本身負責供電；在單極復用型電壓檢測結構中，BMS可測量電池內的分接頭電壓，并計算兩個分接頭之間的電壓差值，以此作為單體電池電壓值；在差動復用型電壓測量結構中，BMS可以同時采用兩種方法，測量單體電池兩端的分接頭，并計算其電壓差值作為單體電池電壓。三種電壓檢測結構如圖5所示：

圖5

2.測量技術之測溫度

測溫技術對于保障各類電池穩定工作意義重大。大多數單體電池在外界處于某個特定溫度范圍時，其放電能力會受到限制，因此，單體電池在某些溫度不可控的移動應用場景中需要監測溫度才可保證其正常使用；電池本身也可因其內部問題（如單體電池損壞）或外部問題（電源接觸不良）導致單體電池變熱，此時需要測溫裝置對系統發出警告信號；在分布式BMS內，各子模塊放置傳感器操作簡便，其不僅可以測量單體電池溫度，還可以監測均衡負載的功能模塊是否在工作。

不同類型的BMS所對應的測溫技術應用和需求也有所不同。數字式BMS對溫度監測沒有絕對的要求；分布式BMS可對逐個單體電池進行測溫；非分布式BMS僅可測量電池或電池模塊溫度；在測溫位置安排上，如果BMS只有有限的傳感探頭，其應該分布于溫度變化最為明顯的位置。

單體電池級結構如圖6所示：

圖6

電池級結構如圖7所示：

圖7

3.測量技術之測電流

電流檢測技術使BMS能夠具備更多功能：防止電池組內的單體電池因續流而超出安全區域、計算單體電池內部直流電阻和單體端電壓等。目前測量電流的器件主要有兩種，即基于分流器的電流傳感器和霍爾效應電流傳感器，基于分流器的電流傳感器的功能原理與大電流霍爾效應傳感器功原理如圖8、圖9所示：

圖8圖9

基于分流器的電流傳感器是一個高精度的大功率電阻器。電池模塊電流在分流電阻器中通過，從而導致電壓降；大電流霍爾效應傳感器是環狀的模塊，承載模塊電流的電纜穿過環狀模塊；小電流霍爾效應傳感器是具有兩個功率終端的集成電路，電流流經該集成電路?；诜至髌鞯碾娏鱾鞲衅髋c霍爾效應傳感器特點對比如表1：

表1：基于分流器的電流傳感器和霍爾效應傳感器特點對比

基于分流器的電流傳感器

（二）管理技術

BMS從管理技術上可分為保護、平衡和熱管理三個方面，其中保護是指保障電池始終工作在安全區域（SOA）內，平衡是指使電池模塊容量最大化，熱管理則是通過控制環境溫度使電池工作在安全區域內。其中，SOC用來反映電池的剩余容量，即在一定放電倍率條件下，電池剩余電量與其額定容量的比值，數學表達式如下：

SOC=Qt/Q×100%

(1)式中：Qt為剩余電量；Q為額定容量。

1.管理技術之保護

(1)請求關斷：

SOC處于或接近邊界條件時，檢測板塊協同平衡板塊可以通過控制外部系統減少或停止使用電池組以達到目的。上述功能的實現，一般需要先檢測出的線性變化數值，然后發出開關信號指示，這些信號包括：放電電流限制（DCL）、充電電流限制（CCL）、下限限制（LLIM或LVL）以及上限限制（HLIM或HVL）。請求關斷控制原理如圖10所示：

圖10

(2)直接關斷：

保護板塊會切斷電池電流以防電池組運行于安全區域外。保護板塊無須依靠其他系統，通過開關直接控制流經其內部的電流。無論BMS采用何種保護技術，必須保證其在最大電流和電壓時均能正常工作。直接關斷控制原理如圖11所示：

圖11

2.管理技術之均衡

由于生產問題或使用損耗等問題，電池組內各電芯的電量存在差異，且若不加干涉其差異會隨著使用逐漸加大。而整個電池組的電量類似于“木桶原理”，由電池內電量最小的電芯決定。因此，為了使每個電芯保持較好的一致性，就要對電芯進行均衡，盡可能使所有電芯的電量趨于一致。

均衡技術使得單體電池均衡充放電達到均衡一致的狀態，常見的有主動均衡技術和被動均衡技術。其中被動均衡技術一般采用電阻放電，電路簡單可靠，可以有效解決電池不一致的問題，但是這種均衡技術屬于耗散型均衡，存在能源浪費的弊端。

主動均衡是通過削峰填谷、能量轉移的方式來實現均衡的，其均衡技術主要有四種，即電容均衡、電感均衡、變壓器均衡以及DC-DC均衡。主動均衡具備電能利用率高以及均衡見效快等優點，但是其均衡電路結構復雜、成本高以及故障率高等困難，存在較高的技術壁壘。主動均衡和被動均衡策略如圖12所示：

圖12

主、被動均衡技術優劣勢對比如表2所示：

表2：主、被動均衡技術優劣勢對比

（數據來源：《大規模鋰離子電池管理系統》）

3.管理技術之熱管理

由于電池材料的固有屬性（特別是鋰離子電池），溫度過高或過低都會對其正常使用產生影響。電池的溫度過高會危害電池網絡架構的可靠性，減少電池的使用年限。工作溫度過低會減少電池原材料活力、可用容積和電池效率。具體來講熱管理系統主要通過三種形式的熱量管理形式來進行熱量管理，即預熱、散熱和溫度均衡。

預熱是指在檢測到電池溫度低于指定值時給電池加熱，避免電池在低溫狀態下的正常性能不能發揮以及安全事故的發生。具體而言，對低溫狀態下的電池充電電池進行充電容易造成內部短路，因為電池容量在低溫狀態下會衰減致較低水平，此時直接充電有一定概率會導致瞬間的電壓過充問題；與此對應的是，低溫環境下的電池放電能力也會受到限制，因此，在一定程度的低溫狀態下，有必要對電池進行加熱或保溫。

散熱是指在電池溫度較高時對其有效散熱，防止產生熱失控事故。由于生產問題以及使用損耗等問題可能造成電池局部過熱，進而引起一系列連鎖放熱反應，嚴重時甚至會引發各類熱失控事件。根據提供的能量來源不同，散熱可分為被動式和主動式兩種冷卻方式；根據傳熱介質的不同，散熱也可分為冷風、液冷和PCM（相變材料）三種冷卻形式。冷風冷卻系統工作原理如圖13所示：

圖13

液冷冷卻系統工作原理如圖14所示：

圖14

溫度均衡指減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，提高電池組整體壽命。電池的適宜溫度約在20~30℃之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。

（三）評價技術

BMS的評價功能板塊包括對荷電狀態和荷電深度（Depthofdischarge，DOD）這兩個指標的評價，根據SOC和DOD的數值可估算出電池的剩余使用時間及剩余駕駛里程。但以現有技術手段仍無法實現直接測量電池組的SOC，目前只有兩種估算方式，即電壓轉換和電流積分。電壓轉換是基于電池材料的固有特性，在電池放電過程中，電池電壓與電量存在一定的線性關系，因此在電池電量的特定階段可以通過電壓量來轉換得到電池電量，但由于其電壓與電池電量并非完全為線性對應關系，其估算準確率不高。因此，電壓轉換的方法幾乎不會單獨應用于實踐。

電流積分也叫庫倫計數，指對電池電流進行積分，從而得到其荷電量的相對值。庫倫計數的方式能夠非常精確地轉換出電池電量，但有兩個限制條件：

1、單元電池漏電流不流經電流傳感器，因此不參與計算；

2、電池電流的測量漂移將會導致SOC隨時間上升/下降。

庫倫計數非常適用于鋰離子電池，因為其漏電流程度很低。由于鉛酸單體電池所屬材料體系，電池電壓在放電過程中呈現線性降低，因此可以考慮使用電壓表作為表征SOC的指示器；實踐中，會通過技術級聯，即將庫倫計數和電壓轉換兩種方式結合，為實現對電池DOD的估計提供了一個合理的解決方案。積分計算結合電壓轉換估算DOD的坐標示意圖如圖15：

圖15