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鋰電池BMS管理系統技術
時間: 2018-11-02 13:00
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電動汽車的出現，是在全球變暖、環境污染和能源危機所推動的。2015年全球電動汽車生產量和出貨量分別超過了50萬輛的規模，其中中國超過了37萬輛。電動汽車必須要有電能儲存裝置
新能源電動汽車的出現，是在全球變暖、環境污染和能源危機所推動的。2015年全球電動汽車生產量和出貨量分別超過了50萬輛的規模，其中中國超過了37萬輛。電動汽車必須要有電能儲存裝置，目前鋰離子電池是動力電池的首選和主流。鋰離子電池在串聯成組使用時存在過充、過放、過流、溫度過高過低等問題，會造出鋰離子電池的迅速損壞，因此需要電池管理系統進行管理。
1、鋰離子電池：
鋰離子電池指由正極、負極、隔膜、電解液四大主要材料和外殼制成的電池。其中正極和負極材料必須能夠可逆的嵌入和脫嵌鋰離子，隔膜必須是鋰離子導通而電子絕緣，電解液必須是鋰離子溶液。
通常正極材料里是一個過渡元素發生氧化還原反應，而金屬鋰和碳負極是金屬鋰發生氧化還原反應。充放電過程，鋰離子在電池內部正負極之間來回轉移，電池在外電路移動。有人形象地把這種鋰離子轉移過程成為搖椅，而將鋰離子電池稱為搖椅式電池。
圖1 鋰離子電池的工作過程圖示
鋰離子電池正極材料一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物，如Ni、Co、Mn的嵌鋰氧化物。負極材料則要選擇電位盡可能接近金屬鋰的嵌鋰化合物，如各種碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。
電解液普遍使用報告LiPF6的溶液，溶質為有機物，常用的有乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低密度二乙烯碳酸酯（DEC）等；隔膜主要由烯烴類聚合物制成多孔復合膜；外殼材料有鋼、鋁、塑料、鋁塑膜等。鋰離子電池典型的結構如下圖：
圖2 方形電池的典型結構
鋰離子電池典型參數有：容量、內阻、電壓；鋰離子電池特性參數有：循環壽命、放電平臺、自放電率、溫度性能、儲存性能等。鋰離子電池安全測試有：過充、短路、針刺、跌落、浸水、低壓、振動等。
鋰離子電池比較嬌貴，其充放電是一個多變量、非線性復雜的電化學過程，如果不能滿足其充放電的條件要求，很容易出現壽命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件，因為鋰離子電池對于溫度、電壓、電流等很敏感。
2、電池管理系統的發展：
早期的電池管理系統有：德國1991年開始設計的BADICHEQ和BADICOaCH系統，美國通用汽車EV1使用的電池管理系統，美國AC Propulsion 公司開發的名為BatOPt的高性能電池管理系統。
國內最早主要是一些高校依托自己的科技優勢聯合一些大的汽車和電池生產商進行了一些研究工作，清華大學為EV-6568輕型電動客車配套了電池管理系統、同濟大學和北京星恒合作開發了鋰離子電池管理系統、春蘭研究院開發了HEV-BMS系統、北京理工和北方交通大學等依托國家863計劃電動汽車重大專項子課題，也開發了有特色的電池管理系統。隨著電動汽車市場的啟動，許多商業化的產品都獲得了大批量的應用。
3、電池管理系統研究內容：
首先，要研究電池管理系統，一般研究單片機為核心，車載網絡為分布系統。然后研究傳感，因為需要檢測電池的參數。一般檢測電壓、電流、溫度。數據和控制的傳輸需網絡來實現，一般用CAN網絡。執行機構，通過顯示屏、繼電器、風扇、泵、電機等來實現。
圖3 電池管理系統的硬件系統示意圖
有了管理的實現系統，需要管理的運行系統。對電池的管理，分為放電、充電和靜置三種過程。靜置涉及到溫度、安全的管理。充電涉及到充電參數的配置，充電過程的監控，充電過程的溫度、電壓、電流的保護。放電過程涉及到輸出功率的管理，用電規劃的管理，使用過程電壓、電流、溫度的管理。
充電放電靜置都會需要參考同一個參數，就是剩余可用電量，也叫荷電狀態（SOC，state of Charge）。鋰離子電池的放電過程是很復雜的電化學過程，受到很多因素的影響，剩余電量的估算十分困難，困難主要來自如下幾個方面：
一是電池的容量不固定，在完全相同的經歷和狀態參數下，電池的容量不是固定的；二是電池老化無法確定，電池的老化無法精確的隨時標定，電池組內的分散程度也無法精確隨時標定；三是使用過程的隨機性。文獻對于各種SOC的估算方法進行了介紹。
鋰離子電池組在使用過程中，即使單節電池的性能再優越，單體之間也存在不一致，電池組在使用過程中也會使其特性產生變化，目前對電池組在使用過程中單體間出現分散性的現象，并無有效的解決辦法，因此需要外部來解決各單節鋰電池在電池組中的平衡問題。
目前通用的均衡方法有耗能均衡，充電均衡和能量轉移均衡。最典型使用最廣的是耗能均衡，該方法利用發熱電阻旁路分流，原理如下圖：
圖4 耗能均衡的原理示意圖
充電均衡是在充電結束時，對每個單體電池單獨使用一個小充電器將其充滿電。能量轉移均衡由于SOC測量的困難，雖然有很多的研發，還沒有能進入實用的產品。
當然，電池管理系統做到這樣還是不夠的，電池在使用過程中溫度會升高，溫度過高鋰離子電池就不能再繼續使用，這是不希望出現的情況。因此，最初的電池管理系統又增加了散熱管理的功能。再后來，發現低溫環境下電池溫度過低后充放電都無法繼續進行，于是進行了加熱管理。
電池使用范圍的進一步擴大，電池安全問題增多，于是就有了安全管理的問題。最初的安全管理是監控，BMS將電池的數據發送到監控中心，監控中心根據數據來判斷安全隱患。進一步發展到對BMS本身對安全做出預警。
電池在使用過程中總是需要維護、更換單體、做均衡等，這些工作需要診斷，如果BMS在需要之前就已經把診斷做好，數據準備好，那么相應的工作就會變得簡單很多，于是電池管理系統又增加了故障診斷和報送的功能。
隨著退役電池的增多，電池的梯次利用和循環使用又顯示出問題來了，于梯次利用電池的配組需要進行大量的研究，BMS又承擔起配組優化的管理功能。
電池研發的進步，也依賴于電池使用過程中發現的問題、現象，依靠實際使用過程的選擇，于是電池管理系統又增加了電池技術選擇的功能。
4 電池管理系統發展展望：
測量是電池管理基礎，越來越精確，分辨率越來越高的技術應用于電池管理系統。SOC估算的研究也從一色的安時積分為基礎發展到焦耳積分等其他方法。電池的管理功能越來越多，值得關注的是多級電池管理系統的興起。
從主從結構，發展到每個獨立置換單位能夠具有完整的電池管理系統功能。在電池系統之外，整車電池管理，和后臺服務器電池管理程序也在興起。此外，值得關注的是，電池管理系統不再是被動地去保護電池，而是優化使用和使用環境。溫度管理是優化使用環境，參數推演是優化使用。隨著行業的發展，可以期待更多更好的電池管理技術和產品出現。
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