电池管理系统研究

张明军

（南京苏逸实业有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

在全球气候变暖、环境污染以及能源危机日益严重的今天，新能源汽车因能源获取方便、洁能等优点逐渐取代燃油汽车。电池系统作为新能源汽车的心脏，与电控、电机被称为新能源电动汽车的三大核心部件[1]。锂电池在过充情况下会出现能量过剩，电解液分解产生自燃或破裂现象。在电池过放时，会由于电解液分解导致电池特性和耐久性恶化，缩短电池的使用寿命。电池充放电电流超过额定值时会导致电池温度过高，造成电池永久性损伤。由于生产过程中的误差和实际使用过程中的区别，会导致电池容量、电池电压、单体电池容量衰减速率、内阻衰减速率以及电池组温度分布上出现差异，从而会出现电池充不满、放不空的情况。因此，针对锂电池在使用过程中出现电池过充、过放、过流以及充放电不均衡现象，需要对电池进行电池管理。本文主要介绍电池管理系统的功能、组成结构，并在此基础上预测电池管理系统的发展方向。

1 BMS定义

电池管理系统英文为Battery Management System（BMS），是电动汽车动力电池系统的重要组成部分。它的主要目的是保证电池系统的设计性能，从安全性、耐久性和动力性3个方面提供作用[2]，主要通过监控电池系统的运行状态，防止电池出现过充和过放的情况。通过对电池的合理使用和养护，以延长电池的使用寿命，并应对可能危害电池寿命的情况进行报警和对已危害电池寿命的情况提供保护。

2 BMS组成

电池管理系统需要监测电池的电压、电流以及电池温度等传感信息，及时调整电动汽车的运行状态，更加合理地利用电池。同时，电池管理系统需要分析历史数据，根据电池的使用情况和使用者的充电习惯选择更为针对性的充放电管理。国际电工学会定义电池管理系统的主要功能包括电池荷电状态估计、电池老化信息、电池关键信息监测以及电池性能异常报警[3]。我国给出的行业标准中明确规定了电池管理系统的基本功能：（1）电池数据采集和处理；（2）剩余电量估算和显示；（3）充放电能量管理与过程控制；（4）安全预警与控制；（5）信息处理与实时通信。随着科学技术的日新月异，人们对电动汽车的安全性、信息准确性以及可行驶里程都提出了更为严格的要求，因此现在电池管理系统所包含的功能越来越全面，如图1所示。

图1 电池管理系统组成

2.1 电池关键信息采集

电池在使用过程中需要采集单体电池电压信息、关键点处的温度信息和总体电池充放电电流信息。这些采集到的电池关键信息是电池管理系统对电池和动力装置进行控制的控制算法和策略的前提和基础，因此信息的采样速率和精度均会影响电池管理系统的性能。为了更好地实现电池管理系统的优越性能，需要对电池关键信息进行实时、快速以及精确采样[4]。同时，需要保存采样数据并形成电池使用日志，以便后续针对特定电池和使用者开发性能更优异的电池管理系统。

2.2 电池状态估计

随着使用者对动力汽车要求的不断提高，电池管理系统需要准确了解电池状态。目前，电池管理系统需要估计电池荷电状态、电池功率状态、电池健康状态和电池剩余寿命，以准确估计电池实时状态[1]。电池荷电状态是电池剩余容量与其充满状态时容量的比值。准确估算电池荷电状态是电池管理系统管理电池的基础[5]。估算的准确性关系到电池管理系统对单体电池间均衡的管理，关系到电池的充放电控制和优化管理，同时也是准确评估电动汽车续航里程的重要参数。目前，估算电池荷电状态的算法主要包括放电法、开路电压法、安时积分法和内阻法等传统方法，以及卡尔曼滤波法、BP神经网络法[6]和粒子滤波法等新型估算方法。电池功率状态是电池的峰值功率和额定功率的比值。准确估算电池功率状态，可以在正常使用电池的条件下，满足电动汽车在启动状态、加速状态、爬坡状态、制动能量回收状态以及快速充电等方面的功率要求，实现发电机功率和电动机功率两者之间的最优化分配。目前，估算电池功率状态的方法可分为基于峰值电流和基于峰值状态[7]两种方法。电池健康状态是反映电池健康状态的百分比形式参数，通常用电池容量变化量和电池内阻变化量两个参数来表征电池健康状态。精确估算电池健康状态可以及时更换有安全隐患的电池。电池健康状态估计策略包括基于电池耐久性模型的开环估算方法和基于电池等效电路模型的参数辨识闭环估算方法。电池剩余寿命估算是用来表征电动汽车寿命状态的参数。

2.3 电池安全保护与报警

电池安全保护是指当电池出现安全故障时能够诊断出现的故障，根据故障的严重程度进行报警甚至保护。电池安全故障包括电池组故障、高压回路故障、传感器故障以及执行器故障等各种外围设备的软硬件故障。电池组故障包括单体电池过压、单体电池欠压、充放电过流、输出短路、单体电池低温、单体电池高温以及电池荷电状态超限等故障。

2.4 电池电量均衡管理

电池组由多个单体电池通过串并联组成。由于生产过程中的误差和实际使用过程中的区别，会导致电池容量、电池电压、单体电池容量衰减速率、内阻衰减速率以及电池组温度分布上出现差异。电池组的使用寿命可能不到单体电池循环寿命的20%，因此需要对电池组进行电量均衡管理。电量均衡管理可分为电化学均衡和物理均衡。物理均衡可通过在单体电池端并联电阻的被动均衡和通过开关电容拓扑、开关电感拓扑以及开关变压器拓扑实现电池间能量无损流动的主动均衡。

2.5 热管理

电池性能受环境温度影响较大。过高的环境温度影响电池正极晶格结构稳定性，缩短电池使用寿命；过低的环境温度降低了电芯材料化学特性，材料能量利用率减小，降低了电池的可用容量[1]。因此，需要对电池进行热管理，以使电池工作在高效率温度区间内，从而使电池工作在最佳性能状态。

2.6 通信管理

通信管理主要包括电池组间电池管理系统数据交互和与整车控制器、发动机控制器、电动机控制器等车载设备进行核心控制数据交互，将实时数据以及历史数据传给上位机，远程控制终端等设备并进行数据存储。

3 BMS发展趋势

（1）状态估算技术。针对SOC、SOH、SOP等技术的精确预估是未来研究的重点。基于电池信息的精确建模，结合信息管理、大数据、自适应的学习算法，最终实现电池全生命周期的高精度状态估计。

（2）主动均衡技术。主动均衡技术可以大大改善电池组的一致性，提高电池组的使用寿命。此外，随着动力电池的梯次利用发展，主动均衡技术可以极大地提高梯次电池的使用效率。

（3）分布式电池管理系统。分布式电池管理系统是将电池模组和电池采集单元集成在一起，实现智能化和标准化电池模组。

（4）电池的诊断技术。

4 结 论

目前，针对电池管理系统的研究还不完善，在电池充放电管理的可靠性、电池电量均衡管理、电池状态估算方面还有欠缺。随着科学技术的不断进步，这些问题终会得到完美解决。因此，新能源汽车最终会取代燃油汽车成为消费者的不二选择。