钜大LARGE | 点击量：1281次 | 2019年06月09日
分析BMS无法解决电动汽车续航里程快速衰减的原因及分享解决方案
1.BMS功能介绍
电池管理系统（BMS：BatteryManagementSystem）在电池组管理中具有举足轻重的作用，时刻监测每一块电池的电压、内阻、SOC变化以及整组电池的电压、充放电流、SOC实时估算、温度等重要参数，当这些参数发生异常时，及时进行信息显示，发出预警提示，甚至自动执行关断等保护动作。
2.BMS关键技术及短板
BMS在电池组管理中的功能虽然强大，但这只是表面上的，BMS的核心功能是电池管理，既然称之为管理系统，那么就应该管理到位，而不能停留在各种状态、参数的监测上，让用户干预，特别是电池的安全运行和续航稳定性方面。
现有的BMS技术，在核心问题的管理上远远没有达到预期的要求，也并没有起到应有的管理作用，存在严重的技术和管理短板，下面进行简要分析：第一，BMS未能解决电池组一致性问题。一致性问题是电池组运行一段时间后最容易发生的普遍问题，是通病，是一个电池管理技术难点，很多问题都是由它引起的，是一个世界性的电池管理技术难题。
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%
电池管理系统
以电动汽车电池组为例，尽管车用电池组在装配之前都会经过严格的挑选，保证一致性都非常好，并且一直处于BMS的监控和管理下，但使用一段时间后还会发生一致性问题（初期一致性问题是轻微的，甚至可以忽略不计），并且随着使用时间的延长，一致性问题会逐渐积累和加重，最直观的表现是实际续航里程逐渐缩水，充电量也逐渐降低，这种续航里程的缩水和充电量的降低程度通常都高于车辆厂商的手册规定值。
第二，BMS没有很好地发挥电池组的运行功效。电池组发生严重不一致性问题后，为了防止“落后”电池过充电和过放电，BMS会适时发出高压和低压预警信息，并会适时关闭充电通道和放电通道，这将导致正常电池无法充满电和有效放电，容量无法得到有效利用，对于电动汽车而言就是续航里程短时间内缩水严重。
研制BMS的本意是保障电池组的稳定运行。这里的稳定不仅包含安全充放电和运行稳定，还包括容量的持续稳定，容量稳定主要是指单体电池和整组电池容量的衰减要符合电池的正常衰减规律，在电池组的设计循环寿命内，电池组的容量应平稳、合理衰减，如果无法保证电池组的合理衰减，那就意味着BMS的功能和作用没有实现。
第三，被动均衡是没有办法的办法。被动均衡的亮点是可以最大限度地保证充电时所有不同容量的电池都能充满电，即均衡充电，这是所有厂商都极力宣传的，对于被动均衡的固有缺陷如小容量电池容易发生过放电，均衡速度慢，电池组电能利用率降低等却只字不提，被动均衡无法解决均衡放电的问题。
我们都知道，电池组的容量取决于放电容量，而放电容量又取决于容量最小的那快电池，被动均衡的执行会让容量最小的那快电池始终工作在相对较高的充放电倍率下，衰减速度相对最快，从而使其容量变得越来越少，最终导致电池组的可用容量快速下降。另外，由于被动均衡的电流都非常小，所以被动均衡在防止小容量电池过充电方面只能起到辅助作用。
第四，影响SOC估算。SOC实时估算是BMS最重要的功能之一，一致性问题和衰减问题的存在会导致衰减电池的电压变化量加大，直接影响SOC估算的准确性和误差，影响剩余续航里程的估算和出行路线与方案的决策。
例如，衰减电池在放电期间，特别是临近放电结束时，电压会快速下降，SOC估算值也会随之快速下降，而不是缓慢下降，当停止放电或大幅度降低放电电流时，衰减电池的电压又会大幅度反弹，从而使SOC估算值又快速反弹，这种情况又称SOC跳变，这将严重影响SOC估算值的准确性和相对稳定性，直接干扰和影响用户出行决策。
3.BMS无法解决一致性问题的关键原因
BMS为什么不能解决电池组的一致性问题，根本原因是自身提供的均衡控制策略与功能缺陷造成的，其均衡控制策略无法解决等倍率充放电的问题，即使配置了主动均衡充电功能也无法从根本上解决问题，只是起到表面作用或者心理作用，对于解决一致性问题无济于事。详细分析如下：
第一，均衡充电功能即使工作正常，最好的效果也只能保证小容量电池不发生过充电行为。电池组的充放电使用过程中，有一个概念和实际使用情况常常被忽略，那就是充放电倍率，对于同一串联电池组，由于一致性问题的存在，不同容量的蓄电池，其充放电倍率是有差异的，容量越小充放电倍率相对越大，容量越大，充放电倍率相对越小。
研究和应用数据表明，充放电倍率对电池的衰减影响是有规律的，即充放电倍率越大，电池衰减速度越快。由此可见，小容量电池如果始终处于相对较高的充放电倍率下，衰减速度始终是最快的，在高倍率充放电情况下，小容量电池无论是否带有均衡充电功能都无法避免其容量持续快速衰减和下降的事实。
高倍率充放电带来的另一个非常严重的负面作用是衰减电池温度的加速升高，容易引发“热失控”的故障，从而导致车辆充电期间和行驶期间电池组发生自燃和爆炸。相反，均衡充电的长期连续使用，会使小容量电池的容量越均衡越少，容量差异越来越大，这就是电动汽车的充电均衡时间越来越长的根本原因。
第二，等倍率充放电是解决小容量电池快速衰减的根本策略。等倍率充放电是指在串联电池组中，不同容量蓄电池在转移式电池均衡器的介入和干预下，实现相同倍率的充电和放电。等倍率充放电是保证电池组循环使用寿命的关键，同时等倍率充放电主动降低小容量电池的实际充放电电流，因而能有效降低衰减电池的温升，预防热失控故障。
新电动汽车之所以续航里程长、充电容量大，主要是因为电池的一致性比较好，每块电池的充放电倍率都基本相同，随着电池一致性问题的显现和加重，充放电倍率差异也逐渐拉大，进一步加剧了电池组的衰减，可用容量降低，因此，续航里程逐渐缩水、充电容量也越来越少。
由此可见，电池的一致性问题不彻底解决，人们对于电动汽车的续航里程快速衰减诟病就不会消除。那么，国内电动汽车厂商为什么只选用被动均衡而不考虑节能、高效的转移式主动电池均衡技术呢？这是因为：
一是成本因素，被动均衡技术成熟，成本非常低，易于实施；而主动均衡的典型代表，转移式电池均衡技术虽然高效节能，但技术复杂，实现难度大、体积较大，成本高；二是没有开发出或适合的转移式电池均衡技术，特别是高效率的转移式实时电池均衡技术。
BMS系统技术有待提升
电动汽车用电池均衡器应具有下列特征：待机损耗要低、实时均衡、高速均衡（支持大电流均衡）、高效率均衡（自身发热量要低），使电池组实现低压差运行，只有这样，电池组的一致性问题和快速衰减问题才能彻底解决。
4.如何在BMS中解决一致性问题
等倍率充放电问题研究和实验数据表明，充放电倍率差异是导致电池差异扩大、一致性问题凸显的主要原因，既然均衡控制是BMS的短板，那么就需要在均衡控制技术上加大研发力度，攻克这一短板。
电动汽车的续航能力取决于电池组的可用电量，对于标准电池组，可用电量等于最小容量电池电量，可用电量是指实际放电容量，代表了电池组的实际蓄电能力，在可用电量明显衰减的情况下充电容量同样会严重衰减，衰减严重的情况下，续航能力必然快速下降，很多电动汽车使用一两年后实，际续航里程和充电容量均严重下降，都是由于电池组的衰减过大造成的。
通过大量的科学研究实验和测量数据统计分析，得出一个结论，高效、高速、转移式实时电池均衡器是解决电池组一致性问题的最好技术，这种均衡功能既可以与BMS整合在一起，也可以独立开发，再通过BMS进行联动控制，实行互补。
这种结合有两种方式，一是两者直接集成在一起，存在于同一个PCB上，优点是减少设备的体积和成本，易于管理，缺点是系统的复杂程度提高，发生故障的概率增大。第二种方式是BMS和均衡设备独立设计，均衡功能启动与关闭由BMS控制，这种方式优点是：系统设计和应用灵活，系统均衡效率和可靠性提高，不足是设备都是独立设计和布置的，占用空间略大。
5.实例
实验电池组是一组2并4串衰减锂电池组，由于衰减严重，实际剩余容量和内阻差异非常大，其中，3#电池的实际剩余容量最小，电池组的下方为锂电池均衡器实验样机。放电标准为：2A恒流放电，整组放电放电设定终止电压11.8V，其普通放电和均衡放电对照曲线如图2所示，图中，纵坐标代表电压，单位是伏特，横坐标代表放电时间，单位是秒，蓝色曲线为普通放电曲线，红色曲线为均衡放电曲线。
通过放电曲线对照图可以清晰地看到，均衡放电的放电时间、放电容量和放电平台稳定性方面都明显优于普通放电。实时测量数据表明。普通放电模式下，当放电终止时，3#电池已进入严重过放电状态，剩余电压已经降至1.4V，而其它三块电池还有较多电量没有释放出来，剩余电压在3.4～3.6V之间；而在均衡放电模式下，到达放电终止电压时，平均电压在2.94～2.97V之间，最差的3#电池未发生过放电，其它三块电池电量也释放充分，电量几乎全部释放出来。这种对照实验结果在一致性明显的多串电池组中具有普遍性。
6.解决一致性问题相当于BMS及电动汽车的一次革命
电动汽车电池容量快速衰减和续航里程快速缩水的现实问题严重影响人们对于电动汽车的购买热情，不少电动汽车，仅仅使用了两三年，实际续航里程就衰减严重，电池组的整体表现甚至就达到需要更换的标准，这既不是厂商想看到的，也不是消费者希望的，电池组衰减并不是整组电池都衰减了，而是其中的一串或几串的衰减引起的，对于这种情况，被动均衡无能为力。
电池组的衰减不是一两个充放电循环就形成的，而是需要多次充放电循环的积累，通过量变逐渐引起质变，如果能够在电池出现差异的迹象前就主动进行电池均衡干预，将一致性问题消灭在萌芽状态，那么电池组就会一直运行在良好状态，想不长寿都难。
百姓对于电动汽车电池的衰减之所以非常关注和重视，是有道理的，电动汽车的售价不菲，如果电池组耐用，的确可以降低出行成本，但如果电池组的寿命非常短，更换一次电池组的费用就要接近整车价格1/3-1/2，有些享受高额补贴的电动汽车更换电池组的价格甚至高于整车的价格，整体使用成本将远大于燃油汽车，尽管电动汽车厂商都给出了很长的质保期，但在质保期内，汽车续航里程缩水的问题非常普遍，半路抛锚的情况时有发生，如果不是因为各种限制，消费者通常不会作为购车首选。
7.展望
一致性问题是电动汽车电池组普遍存在的问题，它的发生会产生很多的连锁问题，问题虽然很普遍，但解决难度却很大，既有技术原因，也有成本因素，难以平衡，高效、转移式实时电池均衡技术的出现为电动汽车及动力、储能电池组的一致性管理带来了希望和曙光，随着这项技术的不断优化和完善，会日臻成熟，届时，电动汽车里程快速衰减、SOC跳变等一系列问题都将迎刃而解。
参考文献：
[1]周宝林,周全.一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器
[2]周宝林,周全.转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究
[3]周宝林,周全.双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用
第一作者简介：
周宝林（1968－），男，工程硕士，高级工程师。主要研究方向：电池均衡技术。
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