電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)電池狀態(tài)估算及均衡技術(shù)

百合提努爾　阿地里江·阿不力米提

摘 要：文章根據(jù)純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的工作情況，歸納提出了電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)電池狀態(tài)估算、電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電池均衡系統(tǒng)等做了新的解析，簡(jiǎn)要的解釋了電池常見故障原因以及預(yù)防措施等。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 電池狀態(tài) 均衡

1 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成部分，也是關(guān)鍵核心控制元件。它一方面檢測(cè)收集并初步計(jì)算電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)檢測(cè)值與允許值的比較關(guān)系來控制供電回路的通斷；另一方面，將采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上報(bào)給整車控制器，并接收控制器的指令，與車上的其他系統(tǒng)協(xié)同工作。不同類型動(dòng)力電池包的電芯（單體電池）對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求是不盡相同的。

在任何一種電池管理系統(tǒng)（BMS）無論是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，均都有基本功能和實(shí)現(xiàn)這些功能的具體元器件。如果需求越多，需要向系統(tǒng)中添加的元器件就越多。如圖1所示，電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心功能。

2 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)的部件則是以幾種不同的方式布置結(jié)構(gòu)。這些布置結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為集中式、分布式和模塊化等類型，如圖2所示。

在集中式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有一個(gè)帶有控制單元的BMS印刷電路板，其通過多個(gè)通信電路管理電池包中的所有電芯。這種類型的結(jié)構(gòu)體積大、不靈活，但成本低。

在分布式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個(gè)電芯都有BMS印刷電路板，控制單元通過單個(gè)通道連接到整個(gè)電池。常用的環(huán)形連接（菊花鏈?zhǔn)竭B接）是分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種類型，并用于容錯(cuò)需求較小的系統(tǒng)。分布式BMS易于配置，但電子部件多、成本高。

在模塊化BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是集中式和分布式兩種拓?fù)涞慕M合。這種布置也稱為分散、星形或主從控拓?fù)洹Ｓ邢嗷ミB接的幾個(gè)控制單元（從控板），每個(gè)控制單元監(jiān)測(cè)電池中的一組電芯。從控板連接到主控制單元或主控板，并其負(fù)責(zé)整個(gè)電池的完整性和安全性。模塊化BMS拓?fù)湓趦r(jià)格和設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間保持平衡。

3 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的具體功能

3.1 電池狀態(tài)估算

電池狀態(tài)估算包括荷電狀態(tài)估算、健康狀態(tài)估算和功能狀態(tài)估算等。

①電池荷電狀態(tài)（SOC）估算

電池荷電狀態(tài)估算為確定電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和電池管理系統(tǒng)（BMS）的控制指標(biāo)提供了方法。荷電狀態(tài)則是在相同的具體條件下，使電池充滿電完畢時(shí)，電池剩余電量與總電量的比值。荷電狀態(tài)估算的主要用途是反應(yīng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，充分發(fā)揮電池性能，也能保證電池的安全性，延長(zhǎng)使用壽命.

②電池健康狀態(tài)（SOH）估算

電池健康狀態(tài)（SOH）則是電池的可用容量與電池壽命終了容量之間的差值。也就是當(dāng)前電池狀態(tài)與理想電池狀態(tài)進(jìn)行比較，如圖3所示。由左側(cè)圖片中有嚴(yán)重泄露情況，中間圖片中清晰看出電芯電量不均衡等問題。因此，準(zhǔn)確掌握動(dòng)力電池的SOH，可以為其自身的檢測(cè)與診斷提供依據(jù)，有助于及時(shí)了解動(dòng)力電池各電芯的健康狀態(tài)，及時(shí)更換老化的電芯，提高動(dòng)力電池的整體壽命。SOH狀態(tài)要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等方面。

③ 電池功能狀態(tài)（SOF）估算

預(yù)測(cè)電池的剩余容量。電池功能狀態(tài)則是電池中剩余能量與電池中可儲(chǔ)存的最大能量之比。SOF是由SOC、SOH、電池安全以及電池溫度共同確定的。

3.2 電壓電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)過程由簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò)和BMS控制器完成?？刂齐姵氐幕倦姎鈪?shù)是使保護(hù)電池免受過電壓、欠電壓策略的影響?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以備后期使用。

3.3 電池電芯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）的電芯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量分析和監(jiān)測(cè)電池的參數(shù)。例如，每一個(gè)電芯的溫度動(dòng)態(tài)、電流和電壓。傳感器輸出的信號(hào)與本模塊控制器通信，然后將信號(hào)傳輸至中央模塊控制器。

3.4 通信網(wǎng)絡(luò)

可以實(shí)現(xiàn)與輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信并連接電動(dòng)汽車各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它還實(shí)現(xiàn)BMS的在線監(jiān)控、程序下載和修改，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能。網(wǎng)絡(luò)通信包括RS485通信連接、RS232通信連接、內(nèi)部集成電路（I2C）總線、通用串行總線、CAN總線、Flex Ray總線等。

3.5 電芯均衡

電芯均衡是一種生產(chǎn)電池的技術(shù)解決方法，可提高電池運(yùn)行時(shí)間和電池壽命。被動(dòng)電芯均衡方法也稱為泄放電阻均衡，它使用開關(guān)進(jìn)行電芯均衡。主動(dòng)電芯均衡方法則是采用電感或電容，并在電池包中將轉(zhuǎn)移電芯和電芯彼此之間的電量。電芯均衡類型如圖4所示。

①主動(dòng)電芯均衡

在主動(dòng)電芯均衡技術(shù)中，電池包內(nèi)的電芯能量從較高電壓轉(zhuǎn)移到較低電壓。也就是說，具有較高電量的電芯能量轉(zhuǎn)移到較低電量的電芯。因此，主動(dòng)電芯均衡技術(shù)避免了耗散熱能。主動(dòng)電芯均衡技術(shù)采用電量穿梭或轉(zhuǎn)換器來均衡最高電芯電壓和最低電芯電壓的能量級(jí)。電量穿梭法則是轉(zhuǎn)移電量以達(dá)到相等的電芯電壓。然而，轉(zhuǎn)換能量經(jīng)互感器和導(dǎo)體轉(zhuǎn)移能量，主動(dòng)電芯均衡如圖5所示。

②被動(dòng)電芯均衡

在被動(dòng)電芯均衡技術(shù)中，高能電芯的多余能量會(huì)被消耗掉，直到其與低電壓電芯匹配或相等。被動(dòng)電芯均衡技術(shù)可以采用固定分流電阻法或開關(guān)分流電阻法，如圖6所示。

串聯(lián)電池包的電量均衡控制器是保護(hù)電池，并維持儲(chǔ)存容量和運(yùn)行工況的基礎(chǔ)。電池的充放電機(jī)理受電池系統(tǒng)中不斷變化的物理特性的影響。這種不平衡是由于溫度、電池老化、制造缺陷、容量測(cè)量不當(dāng)?shù)仍斐傻摹?/p>

鋰離子電池常見的故障有熱失控、過充電、欠充電和過電流。鋰離子電池的故障主要是由于電池的老化和操作不當(dāng)引起的。鋰離子電池實(shí)際上是復(fù)雜的，由于其電化學(xué)特性很難判別故障。由于固態(tài)電解質(zhì)界面的腐蝕，鋰離子電池會(huì)老化。也可能由于溫度不適、過充電、過放電、高電壓等原因而發(fā)生。故障診斷的主要過程是故障征兆分析、故障分離和故障檢測(cè)和排除故障。電池故障診斷方法有在線診斷、智能故障診斷和模糊診斷等。智能故障診斷是基于知識(shí)的推理機(jī)、解碼器和人機(jī)界面的故障診斷。模糊診斷基于模糊邏輯和電池特性數(shù)據(jù)變化有關(guān)的電池故障診斷。

電池中產(chǎn)生的熱量是由于反應(yīng)、電阻、可逆熱和外部接觸端子產(chǎn)生的熱量。熱量產(chǎn)生將導(dǎo)致性能下降、壽命周期縮短，并影響電芯均衡容量。熱管理中采用的方法有主動(dòng)冷卻系統(tǒng)、液體冷卻、空氣冷卻、液體直接冷卻、間接接觸冷卻等。

3.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于電池管理系統(tǒng)，將其處理來自車輛的電子數(shù)據(jù)。BMS對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保持熱量，防止過度充電、故障診斷，并通過電池管理系統(tǒng)控制電動(dòng)汽車的其他部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電池管理系統(tǒng)中運(yùn)用能提高電動(dòng)汽車的安全性、性能和功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也叫做數(shù)據(jù)記錄器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件和帶有可編程軟件的電腦組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成測(cè)試校正、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等。軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中起到重要的作用，因?yàn)樗梢詧?zhí)行采集和處理數(shù)據(jù)的雙重操作，并顯示測(cè)試結(jié)果。

3.7 BMS操作數(shù)據(jù)的丟失

BMS數(shù)據(jù)丟失的原因如下：

① 隨時(shí)停電；

② 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)重新配置；

③ BMS上隨時(shí)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)；

④ 分控連接發(fā)生變化；

⑤ 許多BMS由一臺(tái)電腦或服務(wù)器供電或備份，一般能源數(shù)據(jù)只能存儲(chǔ)幾周；

⑥ 向BMS添加一層設(shè)備間通信，會(huì)創(chuàng)建另一個(gè)可能的配置故障、核心問題和錯(cuò)誤等。

電源不穩(wěn)定和異常運(yùn)行對(duì)電動(dòng)汽車的影響，可以通過電源管理控制技術(shù)來解決。電源管理控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、耐用性和功率損耗，并將損耗和運(yùn)行成本降至最低。目前，電動(dòng)汽車正在采用自動(dòng)電源管理控制。

3.8 充電和放電控制

為了使電池正?；蛴行У毓ぷ?，BMS有工作電壓范圍。鋰離子電池的最佳電壓為2.54.2V。超出工作范圍可能導(dǎo)致電池或電池模組的壽命縮短，或使其功能完全失效。電池系統(tǒng)的效率就是放電能量與充電能量之比。

4 結(jié)論

BMS在電池的電量估算和延長(zhǎng)電池壽命方面發(fā)揮著重要作用。BMS將電池的其他重要屬性保持在其允許的范圍內(nèi)。它是電動(dòng)汽車巨大變化不可或缺的組成部分，以致力于將電池與新興綠色產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)緊密聯(lián)系在一起。

BMS軟件監(jiān)測(cè)與控制運(yùn)行相關(guān)的所有關(guān)鍵指標(biāo)（冷卻、電源斷開、負(fù)載管理），在超出限制的情況下控制運(yùn)行關(guān)閉。BMS軟件失效保護(hù)備份在軟件故障時(shí)，將硬件關(guān)閉?？梢栽O(shè)置為稍高的限制。如果BMS低壓電源出現(xiàn)故障，則關(guān)閉動(dòng)力電池供電。

基金項(xiàng)目：新疆自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目《基于智能手機(jī)的蓄電池電壓監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)研發(fā)》（課題編2021D01A69）。

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