電動汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)解析

南京交通技師學(xué)院 宋云

動力電池是電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一，必須配備電池管理系統(tǒng)（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，縮寫B(tài)MS）。以前的干電池、燃油車上的起動電池，都沒有BMS的這個說法，為什么到動力電池用到汽車上，必須要配備BMS呢？筆者近期接觸到了一款某公司研發(fā)的BMS產(chǎn)品及相關(guān)資料，現(xiàn)結(jié)合該款產(chǎn)品進行解析，供讀者參考。

1 電動汽車配備BMS的必要性

BMS是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。從硬件上說，動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最小單元是電池單體，基本單位是模組，模組再組裝成電池箱，電池箱連接起來為電池系統(tǒng)。從構(gòu)成結(jié)構(gòu)上說，電池對外是一個完整的產(chǎn)品，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接起來，工藝十分復(fù)雜，除了電池單體、模組、電池箱等硬件本身的連接外，還有電池恒溫系統(tǒng)、安全防火系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)與動力電池之間也要交換信息，必須有機協(xié)調(diào)起來。如何能協(xié)調(diào)好呢？自然就提出了管理要求，這里管理是指計算機管理系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了BMS。

2 BMS的基本功能及構(gòu)成解析

2.1 BMS的基本功能

BMS用于監(jiān)測并指示電池/電容狀況（電壓、溫度、電流、剩余能量），在異常情況下向用戶發(fā)出報警信號（聲光），嚴(yán)重時根據(jù)制定的控制策略切斷電力傳送鏈路，以保護電池從而延長電池使用壽命。另外，BMS還有能量均衡作用，使得系統(tǒng)中電池剩余能量趨于一致，延長系統(tǒng)的整體放電時間。BMS的功能如圖1所示。此款BMS不僅能管理磷酸鐵鋰電池，還可以管理錳酸鋰、鈷酸鋰、鉛酸等類型的電池，也可以管理超級電容。

2.2 BMS的構(gòu)成

BMS由終端模塊、中央處理模塊和顯示模塊3大部分組成。終端模塊（圖2）負(fù)責(zé)測量電池電壓及溫度、均衡電池能量、控制電池箱風(fēng)扇，如果用于換電式新能源汽車系統(tǒng)，終端模塊還支持對本箱電池的電流采樣和SOC（SOC的全稱是State of Charge，中文含義是荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示，其取值范圍為0～1，當(dāng)SOC=0時表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時表示電池完全充滿）計算；中控模塊負(fù)責(zé)SOC計算、產(chǎn)生各類報警數(shù)據(jù)、控制充放電電路、測量高壓線路絕緣性能；顯示模塊負(fù)責(zé)顯示電池的數(shù)據(jù)、給出聲光報警、記錄數(shù)據(jù)（可選）。當(dāng)系統(tǒng)電池總數(shù)少于42個時，中控模塊可以和終端模塊合并組成集成BMS系統(tǒng)以節(jié)省成本。

3 電池均衡功能解析

近年來，越來越多的電動汽車采用鋰離子電池做為主要電源，這主要是由于鋰離子電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、自放電率低等優(yōu)點；但同時鋰離子電池對充放電要求很高，當(dāng)過充、過放、過電流及短路等情況發(fā)生時，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生火花、燃燒甚至爆炸，因此，鋰離子電池都加有過充放電保護電路。另外，當(dāng)對一組鋰離子電池充放電時，考慮到各個單體電池的不一致性，可采取均衡措施來確保安全性和穩(wěn)定性。電池均衡的意義就是使鋰離子電池單體電壓或電池組電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個單體電池在正常的使用時保持相同狀態(tài)，以避免過充、過放的發(fā)生。若不進行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單體電池電壓逐漸分化，會使電池的使用壽命大大縮減。電池均衡一般分為主動均衡和被動均衡2種。所謂主動均衡，就是電池在使用過程中產(chǎn)生的容量個體差異及自放電率產(chǎn)生的電壓差異進行主動均衡的一種方法，其主要功能是無論電池組在充電、放電還是放置過程中，都可利用在電池組內(nèi)部對于電池單體之間的差異性進行主動均衡，以消除電池成組后由于自身和使用過程中產(chǎn)生的各種不一致性。但由于均衡過程當(dāng)中的能量轉(zhuǎn)移會因均衡電源自身的功效特性而產(chǎn)生熱損耗，以及電池的電化學(xué)特性中極化內(nèi)阻的變化，并不能用簡單的能量均衡方式而真正解決問題，只有加以合理地應(yīng)用，才可能在總體上達到一個比較好的效果。

該公司研發(fā)的BMS在不增加成本又性能可靠的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了一種主被動式一體電池均衡功能，均衡電流為50 mA。充電時BMS切換成耗能式均衡模式，即將容量比較足的電池進行放電，放電時BMS切換成補電式均衡模式，即將容量比較低的電池進行充電，從而延長了電池組使用壽命。

4 充電控制解析

長期閑置的鋰離子電池，初始充電時，不要一下子將充電電流加到額定充電電流，最好有個逐步遞升的過程，因此該公司研發(fā)的BMS都有一個充電前導(dǎo)時間。在設(shè)定的前導(dǎo)時間內(nèi)，將充電電流線性提升到額定電流。另外，當(dāng)最高單體電壓達到報警門檻時，充電電流不能太大，否則電池電壓很容易越過門檻，所以充電電流跟最高單體電壓有個對應(yīng)關(guān)系。最后，在低溫時充電會嚴(yán)重影響電池的性能，因此充電電流還需要有一個由溫度控制的關(guān)系。該公司研發(fā)的BMS充電就設(shè)置了三重控制——前導(dǎo)時間控制、溫度控制和電壓控制，最后的充電電流取三者中的最小者。