干货 | 动力电池管理系统(BMS)的设计理念及实践
本文旨在论述如何去正确地设计一个符合科学理念的、有效实用的动力电池管理系统(BMS)，以提高电池的使用安全性、使用寿命和使用效率，降低使用成本。
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电池丨电机丨电控丨充电 丨 ICV 以知识交流为基础·以商务对接为核心 摘要：本文旨在论述如何去正确地设计一个符合科学理念的、有效实用的动力电池管理系统(BMS)，以提高电池的使用安全性、使用寿命和使用效率，降低使用成本。 着重论述：1）动力电池管理系统(BMS)的数据采集；2）动力电池管理系统应该具备的一些功能，以及为实现这些功能所采用的技术； 3）各种电池管理系统工作原理、均衡效果和优缺点。 本文最后提出了既符合科学理念又能满足使用要求的电池管理系统，应该具备的基本内容。 一、前言 作为储电工具的蓄电池，即通常人们所说的二次电池，无论是使用历史最悠久、应用最广泛的铅酸电池，还是近十几年才发展起来的更具有发展空间的高性能锂离 子电池，在使用中最怕的就是过充电和过放电。一旦过充、过放电，电池就要损坏，容量降低，寿命减少。严重的情况下，还会发生爆裂和起火燃烧。尤其是锂离子 电池，通常所发生的爆燃现象，基本上都是由于电池过充、过放电所引起来的。 因此，蓄电池在使用中，那怕是一节电池，都要进行电池管理，都要配置电池管理系统。这是保障电池使用安全、使用性能和使用寿命的必不可少的措施！ 蓄电池在成组使用时，更容易发生过充、过放电的现象，其根源都在于电池的一致性误差所引起来的。蓄电池组中的单体电池，由于电池的制造和使用条件的不 同，其使用特性是存在差异的。亦即电池的电压、容量、内阻和自放电率，在不同温度、不同充放电倍率、不同荷电状态、不同使用历程等的使用条件下，是各有差 异的。而这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将进一步加大，导致部分电池发生过充、过放电现象，造成电池容量和寿命的急剧下降，最终引起 事故的发生。这是蓄电池在使用中出现的难题！ 为此，近十几年来，国内外的许多专家学者，广大蓄电池的制造者和使用者，都大力开展了旨在 解决电池一致性误差所带来危害的研究，开发出了各种各样的电池管理系统(BMS)。至今为止，笔者所见到的国内外电池管理系统(BMS)，一般都具有高低压、高低温、和过流短路等多项常规保护功能和储备电量的测量功能，有许多电池管理系统(BMS)还具有所谓电池的均衡功能。但是，从实际的使用效果看，很少有令人满意的电池管理系统(BMS)。这并不是由于电子技术存在问题，而是由于对电池管理系统(BMS)的理念和电池管理策略存在问题。 应该怎样去管理电池呢？这是多年来大家所关心的问题。目前电动车搞得那么红红火火，可电池还是那么不够耐用，寿命短，使用成本高，而且稍不小心还会发生 事故，甚至发生着火爆炸。应该怎样去解决这些向题呢？显然，提高电池的质量是关键，但是，正确地去设计一个合乎科学理念而又实用有效的电池管理系统 (BMS)，也是必不可少的。不然的话，即使有很好的电池，电池还会照样损坯。 二、电池管理系统(BMS)的数据采集 电池的电压(V)、电池的容量(C)、电池的内阻(R)是表征电池特性的主要参数，影响电池参数变化的主要使用条件是电池的温度。 2.1 电池的电压(V) 电池的电压主要指电池正负极间的端电压(U)。 蓄电池在充放电时常会看到这样的三种现象： 第一种现象，充电时，断开充电电源后，电池的电压在突然降低△V后，还会继续缓慢地下降；放电时，断开放电负载后，电池的电压则在突然升高△V后，还会继续缓慢地升高。也就是说，电池在充、放电时断开后，电池的电压是不稳定的，一般要持续几十分钟后才能稳定。 第二种现象，电池储电很少，但电池的电压却很高。然而放电一开始，电池的电压就立刻降下来；或者电池储电不多，电压也不高。但充电开始不久，电池的电压就上升得很高，即使断开充电电源，电池的电压也没有很明显的下降。 第三种现象，电池的电压与使用条件，没有确定的线性关系。不同充放电率、不同温度、不同荷电状态、不同使用历程下的电池电压，都是各不相同的。 上述这些现象的出现主要都是由于电池的极化所引起来的。 我们知道，电池正负极的电极电位，表征正负极材料电化学能级的大小。所以，电池正极材料的电极电位φa与负极材料的电极电位φb之差，叫电池的电动势(E)。 当电池正负极在电解液中处于热力学平衡状态和电池没有电流流过(i=0)时，电池正负极电极电位也处于平衡状态。此时的正负极电极电位之差，叫电池的静态电动势(Es)。即： （1） 当电池有电流流过(i≠0)时，静态电动势(Es) 就要下降－个η值，电池的电压变为U。即 （2） 或 （3） 这个η就叫做电池的极化。 电池为什么会产生极化呢？这是由于电池的电化学反应过程中要有能量损失、参与电化学反应物质浓度的变化(浓差)也会引起电极电位的变化，此外，电池内部 还存着欧姆电阻，当有电流流过欧姆电阻时，也需要消耗能量。由电池电化学过程产生的极化和反应物质浓度变化所引起的浓差极化，统称电池电化学极化(ηe)；由欧姆电阻引起的极化叫欧姆极化(ηΩ)。因此，电池的极化可表达为： （4） 电池的欧姆极化，服从欧姆定律，即电池电压与电流成正比关系。电化学极化，它不服从欧姆定律，电池电压与电流设确定的关系。电池的极化是电流的函数，与流过电池的电流大小紧密相关。电池的极化与流过电池电流的关系叫电池的极化曲线η（I），如图(一)所示：
图(一) 电池充放电的极化曲线 图中Uoc为电池的开路电压，Uc为电池的充电电压，Ud为电池的放电电压。每个电池的极化曲线都是有差异的，而且随着使用条件的变化而变化。 从图中可以看到，电池的极化曲线呈S形状。电池在两端工作时，即在No.1和No.3区间工作时，电池的电压随电流的增加而有较大的变化。而在No.2 区工作时，电池的极化曲线比较平坦。电流增大，电池电压变化不大。我们可以利用这个特性，很方便的对电池进行充、放电调控。电池电压可以下式表示： （5） 式中：“+”为电池充电状态；“-”为电池放电状态。 设I为流过电池的电流，RΩ为电池的欧姆电阻。则欧姆极化： （6） 因此，电池电压又可写成： 充电时： （7） 放电时： （8） 开路时： （9） 但是，在电池开路状态下测量的电池开路电压Us，不一定等于电池的静态电动势(Es)。这是因为电池两极在电解液中不一定处于热力学的平衡状态，特别是 在刚结束充放电后的一段时间里所测量的电池开路电压，与电池的电动势相差甚远。因此说，电池的电动势很难直接用电工测量的方法测出。一般都是用计算方法估 算电池的电动势。 用实时测量电池正负极间电压的方法，可以测量出按公式(7)、(8)和(9)所包含内容的每－个单体电池的所有工况下的实时电压，即电池的电动势与极化电压之和。这对于我们全程实时监控电池来说，电池的实时电压是主要的参数。 有人企图通过测量电压的方法来估算电池的储备能量。其实，用电池电压来估算电池储备能量，是很不准确的。 2.2 电池的容量(C)/储备能量(W) 电池的容量(C)是指从电池中获得的电量，用Ah或mAh表示。一般规定，在电池充满电的条件下，以一定的放电率放电，放到最低允许使用电压时所能获得的电量。不同的放电率，电池有不同的容量。放电率越大，电池的容量越小。所以，一般都是采用常用负载电流作放电倍率来测量电池的放电容量。 电池的额定容量是指电池生产厂家，在按规定充满电的条件下，以规定的放电倍率放电，放到规定的最低允许使用电压为止的放电量。 大多情况下，用电设备所使用的是能量，所以要求电池提供的也应该是电池的储备能量。 要准确测量电池的容量(C)/储备能量(W)是很困难的。近十几年来，国内外有许多专家，采用建立电池数学模型的方法，用计算机作手段作仿真计算，得出了多种蓄电池储备能量的估算法，并且还申请过多项专利。但其共同的缺点都是：准确度低、繁琐而不实用。 相对准确而实用、简便而又可靠的的方法是：测量电池的实时电流I/A和与之对应的实时电压U/V，通过测出的实时电流（I）和电压（U），很容易算出电池的实时电量（Ah或mAh）和能量（Wh或kWh）以及电池容量/能量与时间的关系。 电池容量/能量测量的基准：用常用放电倍率（例如0.3C）放电，当电池组中有某个电池的电压降低到最低允许的使用电压时，以此设为电池储备容量/储备 能量的零点。然后，用最佳充电率（例如0.3C）充电，当电池组中有某个电池的电压达到最高允许的充里电压、充电电流下降到较小的充电电流(例如 0.015C)时，作为充满电的条件，定为电池储备容量/储备能量的最大值。这是电池的相对电量，是可以利用的最大电池储备电量。但平时不要求充电充到最 大值。 电池容量/能量测量值的修正：由于电池在充、放电过程中是有能量损失的，输入的电量会大於输出的电量。所以，必须在充电时，把输 入的电量加以修正。一般乘上一个约相当于电池充放电总效率的修正系数即可。由于电池组的充放电效率，会随着电池使用条件的改变而改变，所以，在使用一段时 间后，还要进行修正。 电池容量/能量测量的修正的校验：在电池储备容量/储备能量零点的条件下开始充电，直到充满电(不充满也可) 为止。然后放电，一直放到电池储备容量/储备能量零点的设定条件为止。如果电池储备容量/储备能量的指示为零，说明所设定的修正系数是正确的；如果电量指 示不为零，且余量为正值时，说明所设定的修正系数过大；如果余量与负值，说明所设定的修正系数过小。重新改变一下修正系数就以了。 2.3 电池的内阻(R) 电池内阻的影响： 电池的内阻对电池的使用性能影响很大。在充放电时，它要消耗电池的能量，使电池发热，限制电池电流的增加，降低电池的工作电压；在成组使用时，电池内阻一致性误差的存在，使电池组各单体电池的电压(串联使用时)或电流(并联使用时)的一致性变坏，导致电池的使用安全和使用寿命大大降低。所以，电池的内阻和电池内阻的一致性误差，是电池使用中很需要关注的问题，是电池管理系统(BMS)常用到，但又无法得到的主要参数。 当然，电池的内阻和电池内阻的一致性，主要靠提高电池的制造质量来解决。但在电池的使用中，加强电池管理，防止电池过充、过放电，还有可能使电池的内阻和电池内阻的一致性误差变小。至少可以保持不变坏。 电池内阻的特性： 电池的内阻包括欧姆电阻(RΩ)和电化学极化电阻(Re)两种。对于锂离子电池来说，电池的欧姆电阻(RΩ)，主要有锂离子通过电解质时受到阻力所形成的电阻、隔膜电阻、电解质-电极界面的电阻和集电体(铜铝箔、电极)电阻等；电化学极化电阻(Re) 有锂离子嵌入、脱嵌和离子移过程的电化学极化电阻、浓差极化电阻等。 欧姆电阻(RΩ)服从欧姆定律，电化学极化电阻(Re)不服从欧姆定律。 电池的内阻，无论是欧姆电阻还是电化学反应的极化电阻，随着电池使用条件的不同而变化。 电池内阻的测量： 因为电池的内阻是有源元件，所以电池的内阻不能用普通欧姆电表测量电阻的方法，而必须用特殊的方法去测量。电池内阻的测量，一般有交流法和直流法两种。但不管用那一种方法，所测得的都只是一定使用条件下电池的欧姆内阻。换言之，电池的电化学反应极化电阻(Re) 是很难测量的。 电池的内阻一般在电池制造厂产品质量检测时逐个进行测量，但只能测一定负荷下的欧姆电阻。电池在使用中是不便测量内阻的，尽管有人也赏试过用一些复朵的 专门方法去测量电池内阻，但实际用途不大。因为电池在使用中，其内阻是不可控参数。即使把它测量出来了，也无法去改变它，控制它。 电池的内阻会直接影响电池的电压，造成电压降。因此，根据电池电压降的大小就可以定性的判断出电池内阻的大小，不必专门去测量电池的内阻。 2.4 电池的温度(T) 电池温度的影响： 电池温度对电池的容量、电压、内阻、充放电效率、使用寿命、安全性和电池一致性等方面都有较大的影响。 不同的温度，电池有不同的性能。就拿电池的容量来说，与25℃温度时的容量相比：在零上温度时，温度每降1℃，电池的容量下降0.5%；在零下温度时， 温度每降1℃，电池的容量下降1.0%。由于电池的电压也随温度的下降而下降，所以电池储备能量随温度的下降而加倍的下降。 电池温度过高，不仅会使电池性能变坏，寿命降低，而且还会发生安全事故。 电池温度过低，不仅会使电池性能变坏，而且还会使充放电发生困难。 电池所处环境的温度不同，电池的一致性变坏。 因此，电池在使用中必须进行严格的温度测量与温度管理。 电池温度的测量： 电池温度的测量应当测量每个单体电池内部的温度。但是，测量电池内部的温度是很困难的。所以一般可用测量电极 柱表面温度的方法测量电池的温度。因为电极柱与电极集电体相联，而且都是由传热性能较好的铜和铝材料做成，所以电极柱的温度与电芯内部温度很相近，温度传 导滞后也不大。 三、电池管理系统(BMS)的功能 电池管理系统(BMS)的功能应当包括电池基本保护功能、电池均衡功能、电池储备能量测算功能和网络通信功能。 3.1 电池管理系统(BMS)的基本保护功能 电池管理系统(BMS)的基本保护功能包括以下六种电池保护： ① 过压保护功能(OV)。 充电时（含制动能量回收），任一电池的充电电压超过设定值时，充电电压自动减小，防止电池过充电。 ② 低压保护功能(UV)。 放电时，任一电池的放电电压低于设定值时，停止放电，防止电池过放电。 ③ 高温保护功能(OT)：无论是充电还是放电时或者停车休眠状态，任一电池的温度超过设定值时，启动电池热管理系统，降低电池温度。在超过允仵的最高温度时，要立即自动切断电路。 ④ 低温保护功能(UT)：充电时，电池的温度低于设定值时，自动改变充电流，一般要减少到充电电流的1/3；放电时，电池的温度低于设定值时，启动电池热管理系统，提高电池温度。 ⑤ 过流保护功能(OC)：充、放电时，电池的电流超过设定值，自动限制电流的增长。 ⑥ 短路保护功能(SC)：充、放电时和停车休眠状态，遇到电池发生短路，自动切断电路。 3.2 电池管理系统(BMS)的均衡功能 3.2.1 电池一致性对电池组的影响 电池参数的不一致会对电池组的使用产生严重影响，尤其是串联电池组。下面以串联电池组为例进行说明。图(二)是串联电池组的等效电路原理图。 电池的电动势和内阻的影响：
图(二) 串联电池等效电路原理图 图中，El、Ei、En为单体电池的电动势。 为单体电池的等效内阻，ηl、ηi、ηn为单体电池的极化电压， I为电池组的总电流，其值为： （10） U1、U2、U3为单体电池的电压，其值为： （11） （12） （13） 式中： ， 以上(11)～(13)说明，在电池组中，电池的电动势越高、内阻越大，充电时其充电电压越高，放电时其放电电压越低。 为了防止过充、过放电，应当控制电池参数的最大、最小误差，并定义为： 最大误差： （14） 最小误差： （15） 式中： 是各电池参数的数学平均值。(14)、(15)式也可表达成： 充电时： （16） 放电时： （17） 当某一电池i的电动势Ei和内阻Ri分别超差δE、δR时，由(16)、（17）式有： 充电时： （18） （19） 放电时： （20） （21） 把（18）～（21）式分别代入（12）式，并设 ，整理后便得i电池的电压： 充电时： （22） 放电时： （23） 式中：UC、UD分别为电池组的充、放电总电压，n为电池组的电池个数。 与电池组充、放电总电压的均值 、 相比，i电池的电压差值为： 充电时： （24） 放电时： （25） 这说明，当电池的电动势E和内阻存在误差δ时，电池的电压也存在同样的误差δ。对于锂离子电池来说，设 ， 则电池的电压差值为： 充电时： 放电时： 此外，超差的电池在充放电后期，其电压急剧变化(见图三)，内阻也急剧上升，由公式(11)～(13)可以看到，电池的电压又继续变化，导致该电池过充、过放电。
图(三) 锂离子电池充放电曲线 电池的容量的影响： [文章纠错] 文章网友提供，仅供学习参考，版权为原作者所有，如侵犯到 你的权益请联系qchjl_admin@126.com，我们会及时处理。
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