鉅大LARGE | 點擊量：1031次 | 2021年04月26日
一個典型的動力鋰電池管理系統(tǒng)，要實現(xiàn)什么功能 你了解嗎？
1簡介
電動汽車用鋰離子電池容量大、串并聯(lián)節(jié)數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，加之安全性、耐久性、動力性等性能要求高、實現(xiàn)難度大，因此成為影響電動汽車推廣普及的瓶頸。鋰離子電池安全工作區(qū)域受到溫度、電壓窗口限制，超過該窗口的范圍，電池性能就會加速衰減，甚至發(fā)生安全問題。目前，大部分車用鋰離子電池，要求的可靠工作溫度為，放電時-20~55C，充電時0~45C（對石墨負極），而關(guān)于負極LTO充電時最低溫度為-30C；工作電壓一般為1.5~4.2V左右（關(guān)于LiCoO2/C、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/C、LiCoxNiyMnzO2/C以及LiMn2O4/C等材料體系約2.5~4.2V，關(guān)于LiMn2O4/Li4Ti5O12材料體系約1.5~2.7V，關(guān)于LiFePO4/C材料體系約2.0~3.7V）。
溫度對鋰離子電池性能尤其安全性具有決定性的影響，根據(jù)電極材料類型的不同，鋰離子電池（C/LiMn2O4，C/LMO，C/LiCoxNiyMnzO2，C/NCM，C/LiFePO4，C/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，C/NCA）典型的工作溫度如下：放電在-20-55℃，充電在0-45℃；負極材料為Li4Ti5O12或者LTO時，最低充電溫度往往可以達到-30℃。
當(dāng)溫度過高時，會給電池的壽命造成不利影響。當(dāng)溫度高至一定程度，則可能造成安全問題。如圖所示圖1中，當(dāng)溫度為90~120℃時，SEI膜將開始放熱分解[1~3]，而一些電解質(zhì)體系會在較低溫度下分解約69℃[4]。當(dāng)溫度超過120℃，SEI膜分解后無法保護負碳電極，使得負極與有機電解質(zhì)直接反應(yīng)，出現(xiàn)可燃氣體將[3]。當(dāng)溫度為130℃，隔膜將開始熔化并關(guān)閉離子通道，使得電池的正負極暫時沒有電流流動[5,6]。當(dāng)溫度升高時，正極材料開始分解（LiCoO2開始分解約在150℃[7]，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在約160℃[8,9]，LiNixCoyMnzO2在約210℃[8]，LiMn2O4在約265℃[1]，LiFePO4在約310℃[7]）并出現(xiàn)氧氣。當(dāng)溫度高于200℃時，電解液會分解并出現(xiàn)可燃性氣體[3]，并且與由正極的分解出現(xiàn)的氧氣劇烈反應(yīng)[9]，進而導(dǎo)致熱失控。在0℃以下充電，會造成鋰金屬在負極表面形成電鍍層，這會減少電池的循環(huán)壽命。[10]
過低的電壓或者過放電，會導(dǎo)致電解液分解并出現(xiàn)可燃氣體進而導(dǎo)致潛在安全風(fēng)險。過高的電壓或者過充電，可能導(dǎo)致正極材料失去活性，并出現(xiàn)大量的熱；普通電解質(zhì)在電壓高于4.5V時會分解[12]
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為了解決這些問題，人們試圖開發(fā)能夠在非常惡劣的情況下進行工作的新電池系統(tǒng)，另一方面，目前商業(yè)化鋰離子電池必須連接管理系統(tǒng)，使鋰離子電池可以得到有效的控制和管理，每個單電池都在適當(dāng)?shù)臈l件下工作，充分保證電池的安全性、耐久性和動力性。
2電池管理系統(tǒng)含義
電池管理系統(tǒng)的重要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計性能，可以分解成如下三個方面：
1）安全性，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；
2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長電池的使用壽命；
3）動力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下。鋰離子電池的安全工作區(qū)域如圖1所示。
圖1為鋰離子電池的安全操作窗口
BMS由各類傳感器、執(zhí)行器、控制器以及信號線等組成，為滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，BMS應(yīng)該具有以下功能。
1）電池參數(shù)檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測（防止出現(xiàn)過充、過放甚至反極現(xiàn)象）、溫度檢測（最好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器）、煙霧探測（監(jiān)測電解液泄漏等）、絕緣檢測（監(jiān)測漏電）、碰撞檢測等。
2）電池狀態(tài)估計。包括荷電狀態(tài)（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、能量狀態(tài)（SOE）、故障及安全狀態(tài)（SOS）等。
3）在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號，采用診斷算法診斷故障類型，并進行早期預(yù)警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障（如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等），以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓（過充）、欠壓（過放）、過電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等。
4）電池安全控制與報警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后，通過網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器，并要求整車控制器進行有效處理（超過一定閾值時BMS也可以切斷主回路電源），以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害。
5）充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊，它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機的功率等級，控制充電機給電池進行安全充電。
6）電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息，采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量。
7）熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能。
8）網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS要與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信；同時，BMS在車輛上拆卸不方便，要在不拆殼的情況下進行在線標(biāo)定、監(jiān)控、自動代碼生成和在線程序下載（程序更新而不拆卸產(chǎn)品）等，一般的車載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN總線技術(shù)。
9）信息存儲。用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等。車輛中的真實BMS可能只有上面提到的部分硬件和軟件。每個電池單元至少應(yīng)有一個電池電壓傳感器和一個溫度傳感器。關(guān)于具有幾十個電池的電池系統(tǒng)，可能只有一個BMS控制器，或者甚至將BMS功能集成到車輛的主控制器中。關(guān)于具有數(shù)百個電池單元的電池系統(tǒng)，可能有一個主控制器和多個僅管理一個電池模塊的從屬控制器。關(guān)于每個具有數(shù)十個電池單元的電池模塊，可能存在一些模塊電路接觸器和平衡模塊，并且從控制器像測量電壓和電流相同管理電池模塊，控制接觸器，均衡電池單元并與主控制器通信。根據(jù)所報告的數(shù)據(jù)，主控制器將執(zhí)行電池狀態(tài)估計，故障診斷，熱管理等。
10）電磁兼容。由于電動汽車使用環(huán)境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時要求BMS對外輻射小。電動汽車BMS軟硬件的基本框架如圖2所示。
圖2車載BMS的軟硬件基本框架
3BMS的關(guān)鍵問題
盡管BMS有許多功能模塊，本文僅分析和總結(jié)其關(guān)鍵問題。目前，關(guān)鍵問題涉及電池電壓測量，數(shù)據(jù)采樣頻率同步性，電池狀態(tài)估計，電池的均勻性和均衡，和電池故障診斷的精確測量。
3.1電池電壓測量（CVM）
電池電壓測量的難點存在于以下幾個方面：
（1）電動汽車的電池組有數(shù)百個電芯的串聯(lián)連接，要許多通道來測量電壓。由于被測量的電池電壓有累積電勢，而每個電池的積累電勢都不同，這使得它不可能采用單向補償方法消除誤差。
圖3OCV曲線和每毫伏電壓的SOC的變化（在25℃測量，休息時間3小時）
（2）電壓測量要高精度（特別是關(guān)于C/LiFePO4電池）。SOC估算對電池電壓精度提出了很高的要求。這里我們以C/LFP和LTO/NCM型電池為例。圖3顯示了電池C/LiFePO4和LTO/NCM的開路電壓（OCV）以及每mV電壓對應(yīng)的SOC變化。從圖中我們可以看到LTO/NCM的OCV曲線的斜率相對陡峭，且大多數(shù)SOC范圍內(nèi)，每毫伏的電壓變化對應(yīng)的最大SOC率范圍低于0.4％（除了SOC60~70％）。因此，假如電池電壓的測量精度為10mV，那么通過OCV估計方法獲得的SOC誤差低于4％。因此，關(guān)于LTO/NCM電池，電池電壓的測量精度要小于10mV。但C/LiFePO4OCV曲線的斜率相對平緩，并且在大多數(shù)范圍內(nèi)（除了SOC<40％和65~80％），每毫伏電壓的最大相應(yīng)SOC變化率達到4％。因此，電池電壓的采集精度要求很高，達到1mV左右。目前，電池電壓的大部分采集精度僅達到5mV。在文獻[47]和[48]中，分別總結(jié)了鋰離子電池組和燃料動力電池組的電壓測量方法。這些方法包括電阻分壓器方法，光耦合隔離放大器方法，離散晶體管的方法[49]，分布式測量方[50]，光耦合中繼方法[51]等等。目前，電池的電壓和溫度采樣已形成芯片產(chǎn)業(yè)化，表1比較了大多數(shù)BMS所用芯片的性能。
表1統(tǒng)計電池管理和均衡芯片
3.2數(shù)據(jù)采樣頻率同步性
信號的采樣頻率與同步對數(shù)據(jù)實時分析和處理有影響。設(shè)計BMS時，要對信號的采樣頻率和同步精度提出要求。但目前部分BMS設(shè)計過程中，對信號采樣頻率和同步?jīng)]有明確要求。電池系統(tǒng)信號有多種，同時電池管理系統(tǒng)一般為分布式，假如電流的采樣與單片電壓采樣分別在不同的電路板上；信號采集過程中，不同控制子板信號會存在同步問題，會對內(nèi)阻的實時監(jiān)測算法出現(xiàn)影響。同一單片電壓采集子板，一般采用巡檢方法，單體電壓之間也會存在同步問題，影響不一致性分析。系統(tǒng)對不同信號的數(shù)據(jù)采樣頻率和同步要求不同，對慣性大的參量要求較低，如純電動汽車電池正常放電的溫升數(shù)量級為1℃/10min，考慮到溫度的安全監(jiān)控，同時考慮BMS溫度的精度（約為1℃），溫度的采樣間隔可定為30s（對混合動力鋰電池，溫度采樣率要更高一些）。
電壓與電流信號變化較快，采樣頻率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知，動力鋰電池的歐姆內(nèi)阻響應(yīng)在ms級，SEI膜離子傳輸阻力電壓響應(yīng)為10ms級，電荷轉(zhuǎn)移（雙電容效應(yīng)）響應(yīng)為1~10s級，擴散過程響應(yīng)為min級。目前，電動汽車加速時，驅(qū)動電機的電流從最小變化到最大的響應(yīng)時間約為0.5s，電流精度要求為1%左右，綜合考慮變載工況的情況，電流采樣頻率應(yīng)取10~200Hz。單片信息采集子板電壓通道數(shù)一般為6的倍數(shù)，目前最多為24個。一般純電動乘用車電池由約100節(jié)電池串聯(lián)組成，單體電池信號采集要多個采集子板。為了保證電壓同步，每個采集子板中單體間的電壓采樣時間差越小越好，一個巡檢周期最好在25ms內(nèi)。子板之間的時間同步可以通過發(fā)送一幀CAN參考幀來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)更新頻率應(yīng)為10Hz以上。
后面兩天的文章中還會涉及的BMS的關(guān)鍵功能還有：電池狀態(tài)估計，包括SOC估計方法概述，SOH估計方法概述，SOF估計方法概述，電池一致性和均衡方法概述，故障診斷概述幾個部分。
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