钜大LARGE | 点击量：419次 | 2024年01月12日
一个典型的动力锂离子电池管理系统，要实现什么功能 你了解吗？
1、简介
电动汽车用锂离子电池容量大、串并联节数多，系统复杂，加之安全性、耐久性、动力性等性能要求高、实现难度大，因此成为影响电动汽车推广普及的瓶颈。锂离子电池安全工作区域受到温度、电压窗口限制，超过该窗口的范围，电池性能就会加速衰减，甚至发生安全问题。目前，大部分车用锂离子电池，要求的可靠工作温度为，放电时-20~55C，充电时0~45C（对石墨负极），而关于负极LTO充电时最低温度为-30C；工作电压一般为1.5~4.2V左右（关于LiCoO2/C、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/C、LiCoxNiyMnzO2/C以及LiMn2O4/C等材料体系约2.5~4.2V，关于LiMn2O4/Li4Ti5O12材料体系约1.5~2.7V，关于LiFePO4/C材料体系约2.0~3.7V）。
温度对锂离子电池性能尤其安全性具有决定性的影响，根据电极材料类型的不同，锂离子电池（C/LiMn2O4，C/LMO，C/LiCoxNiyMnzO2，C/NCM，C/LiFePO4，C/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，C/NCA）典型的工作温度如下：放电在-20-55℃，充电在0-45℃；负极材料为Li4Ti5O12或者LTO时，最低充电温度往往可以达到-30℃。
当温度过高时，会给电池的寿命造成不利影响。当温度高至一定程度，则可能造成安全问题。如图所示图1中，当温度为90~120℃时，SEI膜将开始放热分解[1~3]，而一些电解质体系会在较低温度下分解约69℃[4]。当温度超过120℃，SEI膜分解后无法保护负碳电极，使得负极与有机电解质直接反应，出现可燃气体将[3]。当温度为130℃，隔膜将开始熔化并关闭离子通道，使得电池的正负极暂时没有电流流动[5,6]。当温度升高时，正极材料开始分解（LiCoO2开始分解约在150℃[7]，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在约160℃[8,9]，LiNixCoyMnzO2在约210℃[8]，LiMn2O4在约265℃[1]，LiFePO4在约310℃[7]）并出现氧气。当温度高于200℃时，电解液会分解并出现可燃性气体[3]，并且与由正极的分解出现的氧气剧烈反应[9]，进而导致热失控。在0℃以下充电，会造成锂金属在负极表面形成电镀层，这会减少电池的循环寿命。[10]
过低的电压或者过放电，会导致电解液分解并出现可燃气体进而导致潜在安全风险。过高的电压或者过充电，可能导致正极材料失去活性，并出现大量的热；普通电解质在电压高于4.5V时会分解[12]
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
为了解决这些问题，人们试图开发能够在非常恶劣的情况下进行工作的新电池系统，另一方面，目前商业化锂离子电池必须连接管理系统，使锂离子电池可以得到有效的控制和管理，每个单电池都在适当的条件下工作，充分保证电池的安全性、耐久性和动力性。
2、电池管理系统含义
电池管理系统的重要任务是保证电池系统的设计性能，可以分解成如下三个方面：
1）安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故；
2）耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命；
3）动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。锂离子电池的安全工作区域如图1所示。
图1为锂离子电池的安全操作窗口
BMS由各类传感器、执行器、控制器以及信号线等组成，为满足相关的标准或规范，BMS应该具有以下功能。
1）电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电池电压检测（防止出现过充、过放甚至反极现象）、温度检测（最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器）、烟雾探测（监测电解液泄漏等）、绝缘检测（监测漏电）、碰撞检测等。
2）电池状态估计。包括荷电状态（SOC）或放电深度（DOD）、健康状态（SOH）、功能状态（SOF）、能量状态（SOE）、故障及安全状态（SOS）等。
3）在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断故障类型，并进行早期预警。电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障（如接触器、风扇、泵、加热器等），以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压（过充）、欠压（过放）、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等。
4）电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后，通过网络通知整车控制器，并要求整车控制器进行有效处理（超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源），以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害。
5）充电控制。BMS中具有一个充电管理模块，它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给电池进行安全充电。
6）电池均衡。不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量。
7）热管理。根据电池组内温度分布信息及充放电需求，决定主动加热/散热的强度，使得电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥电池的性能。
8）网络通讯。BMS要与整车控制器等网络节点通信；同时，BMS在车辆上拆卸不方便，要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、自动代码生成和在线程序下载（程序更新而不拆卸产品）等，一般的车载网络均采用CAN总线技术。
9）信息存储。用于存储关键数据，如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等。车辆中的真实BMS可能只有上面提到的部分硬件和软件。每个电池单元至少应有一个电池电压传感器和一个温度传感器。关于具有几十个电池的电池系统，可能只有一个BMS控制器，或者甚至将BMS功能集成到车辆的主控制器中。关于具有数百个电池单元的电池系统，可能有一个主控制器和多个仅管理一个电池模块的从属控制器。关于每个具有数十个电池单元的电池模块，可能存在一些模块电路接触器和平衡模块，并且从控制器像测量电压和电流相同管理电池模块，控制接触器，均衡电池单元并与主控制器通信。根据所报告的数据，主控制器将执行电池状态估计，故障诊断，热管理等。
10）电磁兼容。由于电动汽车使用环境恶劣，要求BMS具有好的抗电磁干扰能力，同时要求BMS对外辐射小。电动汽车BMS软硬件的基本框架如图2所示。
图2车载BMS的软硬件基本框架
3、BMS的关键问题
尽管BMS有许多功能模块，本文仅分析和总结其关键问题。目前，关键问题涉及电池电压测量，数据采样频率同步性，电池状态估计，电池的均匀性和均衡，和电池故障诊断的精确测量。
3.1电池电压测量（CVM）
电池电压测量的难点存在于以下几个方面：
（1）电动汽车的电池组有数百个电芯的串联连接，要许多通道来测量电压。由于被测量的电池电压有累积电势，而每个电池的积累电势都不同，这使得它不可能采用单向补偿方法消除误差。
图3OCV曲线和每毫伏电压的SOC的变化（在25℃测量，休息时间3小时）
（2）电压测量要高精度（特别是关于C/LiFePO4电池）。SOC估算对电池电压精度提出了很高的要求。这里我们以C/LFP和LTO/NCM型电池为例。图3显示了电池C/LiFePO4和LTO/NCM的开路电压（OCV）以及每mV电压对应的SOC变化。从图中我们可以看到LTO/NCM的OCV曲线的斜率相对陡峭，且大多数SOC范围内，每毫伏的电压变化对应的最大SOC率范围低于0.4％（除了SOC60~70％）。因此，假如电池电压的测量精度为10mV，那么通过OCV估计方法获得的SOC误差低于4％。因此，关于LTO/NCM电池，电池电压的测量精度要小于10mV。但C/LiFePO4OCV曲线的斜率相对平缓，并且在大多数范围内（除了SOC<40％和65~80％），每毫伏电压的最大相应SOC变化率达到4％。因此，电池电压的采集精度要求很高，达到1mV左右。目前，电池电压的大部分采集精度仅达到5mV。在文献[47]和[48]中，分别总结了锂离子电池组和燃料动力电池组的电压测量方法。这些方法包括电阻分压器方法，光耦合隔离放大器方法，离散晶体管的方法[49]，分布式测量方[50]，光耦合中继方法[51]等等。目前，电池的电压和温度采样已形成芯片产业化，表1比较了大多数BMS所用芯片的性能。
表1统计电池管理和均衡芯片
3.2数据采样频率同步性
信号的采样频率与同步对数据实时分析和处理有影响。设计BMS时，要对信号的采样频率和同步精度提出要求。但目前部分BMS设计过程中，对信号采样频率和同步没有明确要求。电池系统信号有多种，同时电池管理系统一般为分布式，假如电流的采样与单片电压采样分别在不同的电路板上；信号采集过程中，不同控制子板信号会存在同步问题，会对内阻的实时监测算法出现影响。同一单片电压采集子板，一般采用巡检方法，单体电压之间也会存在同步问题，影响不一致性分析。系统对不同信号的数据采样频率和同步要求不同，对惯性大的参量要求较低，如纯电动汽车电池正常放电的温升数量级为1℃/10min，考虑到温度的安全监控，同时考虑BMS温度的精度（约为1℃），温度的采样间隔可定为30s（对混合动力锂电池，温度采样率要更高一些）。
电压与电流信号变化较快，采样频率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知，动力锂电池的欧姆内阻响应在ms级，SEI膜离子传输阻力电压响应为10ms级，电荷转移（双电容效应）响应为1~10s级，扩散过程响应为min级。目前，电动汽车加速时，驱动电机的电流从最小变化到最大的响应时间约为0.5s，电流精度要求为1%左右，综合考虑变载工况的情况，电流采样频率应取10~200Hz。单片信息采集子板电压通道数一般为6的倍数，目前最多为24个。一般纯电动乘用车电池由约100节电池串联组成，单体电池信号采集要多个采集子板。为了保证电压同步，每个采集子板中单体间的电压采样时间差越小越好，一个巡检周期最好在25ms内。子板之间的时间同步可以通过发送一帧CAN参考帧来实现。数据更新频率应为10Hz以上。
后面两天的文章中还会涉及的BMS的关键功能还有：电池状态估计，包括SOC估计方法概述，SOH估计方法概述，SOF估计方法概述，电池一致性和均衡方法概述，故障诊断概述几个部分。
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