新能源汽车锂电池的BMS功能性设计研究

张红超

摘 要：随着我国汽车保有量不断上升，对能源消耗量越来越大，不仅不利于能源的可持续发展，同时汽车尾气也会对生态环境产生较大的破坏。新能源汽车的出现能有效解决这些问题。锂电池是新能源汽车的核心，也是新能源汽车动力所在，必须要加强对锂电池的监测与管理。BMS是专门获取锂电池各项工作数据的系统，通过对数据的分析来控制电池的充电与放电工作，并对电池荷电状态与健康状态进行评估，保证锂电池工作的稳定性与安全性。

关键词：新能源汽车;锂电池;BMS

中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0118-03

Research on Functional Design of BMS Based

on New Energy Vehicle Lithium Battery

ZHANG Hongchao

（Chengde College of Applied Technology，Chengde Hebei 067000）

Abstract： With the continuous increase of car ownership in China， the energy consumption is increasing， which is not conducive to the sustainable development of energy， but also has great damage to the ecological environment. The emergence of new energy vehicles can effectively solve these problems. Lithium battery is the core of new energy vehicles and the power of new energy vehicles. It is necessary to strengthen the monitoring and management of lithium batteries. BMS is a special system to obtain the working data of lithium battery. It controls the charging and discharging of the battery by analyzing the data， and evaluates the state of charge and health of the battery， so as to ensure the stability and safety of lithium battery.

Keywords： new energy vehicles;lithium battery;BMS

隨着现代社会经济的快速发展，人们的生活水平逐步提升，越来越多的家庭有能力购买私家车，由此导致我国私家车数量急剧增加。据我国公安部门统计，截至2020年6月，机动车保有量达到了3.6亿辆，其中汽车数量为2.7亿辆，庞大的汽车数量造成能源消耗十分严重，也产生了较多的大气污染及噪声污染。为了解决这些问题，保证能源可持续发展与生态环境安全，我国开始大力发展新能源汽车。现阶段锂电池是新能源汽车中常用的电池类型，并且在能量密度以及电池管理系统（BMS）等方面获得了较大的进步。电池管理系统（BMS）是锂电池工作体系中较为关键的一部分，具有至关重要的作用。BMS的主要职能是获取汽车能源系统的电压、电流、温度及高压互锁情况等数据，紧接着根据汽车的使用状况及相关数据，采取科学的方法管理新能源汽车电池的放电与充电过程，在保证锂电池安全工作的基础上，确保动力系统可以存储更多电量，提高汽车的行驶里程及电池电量的利用效率[1]。

1 电池数据采集

新能源汽车工作过程中需要经历各种复杂的工况，锂电池的使用环境也是不断发生变化的，为了保证锂电池能稳定、安全地运行，必须要对锂电池的重要参数进行监测，科学控制锂电池的工作方式。通常情况下，锂电池数据采集涵盖电池的电压、电流、温度及高压互锁情况等数据，并将收集到的数据信息传输到控制系统中，进而开展电池工作状况分析，为系统发出相应的指令提供数据支持[2]。

锂电池电压数据的收集工作包括三个部分：各个电芯自身的电压值、电池模块内部总电压以及电池模块外部总电压。电池温度采集也包括了多个方面，主要有电芯外表温度、极耳自身温度、冷却液首末端温度、充电端口温度及BMS系统硬件温度等[3]。对锂电池电流数据的收集一般是基于分流器以及霍尔电流传感器等获得锂电池工作体系中主电路与回路的电流值，同时将采集的数据提供给系统，控制系统通过安时积分的方式分析当下锂电池工作状态。绝缘电阻数据的采集主要是获取电池模块总正极位置到箱体处的电阻值、电池系统总负极到箱体处的电阻值。高压互锁是锂电池系统中非常重要的安全装置，在对该部分进行数据收集时，主要从两个方面进行，分别是高压航插以及MSD的互锁情况[4]。

2 电池状态分析

2.1 锂电池系统荷电状态的计算

荷电状态（State of Charge，SOC）是锂电池工作过程中非常重要的一个参数。因此，必须要提前对锂电池的荷电状态进行计算，其计算方法为电池现有的容量数值除以总容量，所得到的百分比数值即为荷电状态数值，具体计算公式见式（1）[5]：

2.2 锂电池系统健康状态评估

锂电池系统健康状态（State of Health，SOH）能直接反映出锂电池的工作性能强弱，计算方法为电池已经产生的满充电次数除以理论意义上电池可以满充电次数，所得到的百分比数值即为SOH数值，具体计算公式见式（2）[6]：

其中，锂电池满充电次数的计算方法是锂电池使用至今所充电的总容量与理论电池总容量的比值。

SOC以及SOH是锂电池BMS系统非常重要的两个数值，也是对新能源汽车续航里程计算的重要载体。在进行SOC估算工作中，一般采用开路电压法、阻抗法及神经网络法等。目前，大多数新能源汽车的BMS系统均是依托于安时积分法，并在此背景下获取系统电路电压、各种温度状况下的电池容量、各种电流大小背景下的电池充电与放电速度等数值，并以此为基础对SOC进行调整。由于SOC在新能源汽车锂电池管理中具有非常重要的作用，所以应当尽可能地提高SOC评估的准确性，为了实现这样的目标，许多BMS生产厂家及相关领域的科研工作人员将人工智能技术应用到BMS数值估算中，以现有的安时积分法为载体，对锂电池工作中的电压、电流、温度及电阻等数据进行实时收集，构建动态的开路电压（Open Circuit Voltage，OVC），并在此基础上进行SOC调整，从而降低SOC估算偏差[7]。

3 电池安全保护

新能源汽车电池系统工作过程非常复杂与烦琐，也容易出现各种各样的问题。由于锂电池是一种高能化学原电池，当出现故障时容易引发较大的安全事故，为此必须要加强电池的安全保护工作，在电池出现问题时及时采用有效措施，避免出现更大的问题。通常情况下，锂电池在工作过程中容易产生电压过高、电压过低、温度超高、温度较低、电流过大、电压以及温度收集线路不通、高压互锁错误等问题。当产生故障时，锂电池的BMS系统要及时采取保护措施，并根据实际问题性质以及影响大小分层次进行干涉，例如，降低锂电池的输出功率、关闭锂电池输出等，保障锂电池在工作中的安全性，并最大程度上提高电池现有电量的利用效率。

锂电池工作过程中对温度要求较为苛刻，只有处于适宜的温度范围才能充分发挥出锂电池的优势。当锂电池的工作温度较低或者较高时，其在充电与放电过程中，BSM系统会采集电芯外表层与极耳的温度、冷却液始末端温度等数据，并将其发送给车载控制系统，系统会根据接收到的数据信息采取相应的措施。当锂电池温度过高时，系统会增加冷却液的流量，降低锂电池工作温度;当锂电池温度过低时，系统会对锂电池进行加热处理，提高锂电池工作温度，保证锂电池始终处于规定的温度范围内，从而提高锂电池充电与放电的效率[8]。

为了尽可能地缩短新能源汽车电池的充电时间，许多汽车生产厂家都给汽车配备了快充端口，能够有效提高电池充电效率。BMS系统会采集汽车快充端口的温度数据，并将数据信息传输到控制系统中，从而判断出充电端口连接是否正常，也可以避免由于电流过大导致充电端口温度过高的问题，从而防止出现安全事故。

4 电池系统能量控制

4.1 充电管理

BMS系統获取锂电池当下的电芯温度，并结合荷电状态对锂电池系统充电功率的影响，核算出锂电池可以承受的最大充电电流。锂电池在充电过程中，BMS系统会先获取锂电池允许的最大单体电压、最大总电压、最大温度及最大电流等数值，并将这些参数和充电桩、充电器等设备参数进行比对，为锂电池充电提供最合理的充电电压、电流以及充电模式等，从而在保证安全的基础上尽可能快地提高电池充电效率。此外，锂电池管理系统通过结合充电设备极限输出水平以及锂电池当下充电容量，可以计算出锂电池充满电需要的总时长。

4.2 放电管理

放电管理也是锂电池管理系统中非常重要的一部分，首先需要获取锂电池工作的实时温度，结合SOC数值开展锂电池系统的10 s/30 s最大放电与稳定放电功率MAP计算工作，将获取的相关数据传输给汽车微控制器（MCU），紧接着MCU将电机需要功率[P1]和收到的最大放电功率[Pmax]、稳定放电功率[Pc]数值进行对比。假如[P1]大于[Pmax]，依照锂电池最大功率[Pmax]进行供电，并同步开展计时程序，当计时结束以后从最大放电功率[Pmax]转变为稳定放电功率[Pc];假如[P1]小于[Pc]，BMS会在下次放电采取最大放电功率[Pmax]方式进行。

5 结语

随着现代新能源汽车市场份额越来越大，BMS系统在锂电池管理中的作用也更加重要。精准获取新能源汽车锂电池各项参数，可以为系统开展各项工作提供数据支持，保证新能源汽车锂电池工作的稳定性与安全性。

参考文献：

[1]朱伟杰，史尤杰，雷博.锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计[J].储能科学与技术，2020（1）：271-278.

[2]张永斌，张洪涛.动力锂离子电池管理系统的设计和应用：评《新能源技术与电源管理》[J].电池，2020（1）：105-106.

[3]李梦，龚金科，朱浩，等.一种可用于BMS功能验证的动力锂电池模拟器设计[J].江苏大学学报（自然科学版），2020（2）：214-220，229.

[4]贾祖强，熊晓单.基于磷酸铁锂电池变电站直流系统BMS的研究与应用[J].应用能源技术，2014（10）：42-46.

[5]何忠霖，彭忆强，丁宗恒.纯电动汽车锂离子电池管理系统关键技术现状分析[J].汽车零部件，2019（1）：71-76.

[6]陈洋，李荣正.电池管理系统（BMS）及其均衡充电的方法[J].上海工程技术大学学报，2015（3）：213-217.

[7]阚宏林，肖亚平.基于OZ8920的电动汽车电池管理系统（BMS）研究与开发[J].电源技术，2011（9）：1122-1124.

[8]田晟，裴锋，李拾成.纯电动汽车上下电及电池管理系统故障控制策略[J].华南理工大学学报（自然科学版），2016（9）：107-115.