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一文读懂电动汽车电池管理系统(BMS)

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发布:shuizhonghua 来源:
PostTime:31-5-2024 21:02
声明:本文内容主要根据KRIS的汇总而来,大家可以关注KRIS的公众号想要更好地了解电动汽车电池管理系统,让我们从动力电池开始。1 动力电池目前几乎所有电动汽车都使用锂离子电池作为动力电池,根据极性材料的选择不 ...

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声明:本文内容主要根据KRIS的汇总而来,大家可以关注KRIS的公众号想要更好地了解电动汽车电池管理系统,让我们从动力电池开始。1 动力电池目前几乎所有电动汽车都使用锂离子电池作为动力电池,根据极性材料的选择不同,动力电池可分为3种:镍钴锰三元电池NMC,镍钴铝三元电池NCA和磷酸铁锂电池LFP,三者比较信息如下所示:


1.1 NMC

镍钴锰三元电池,简称 NCM,是取自三种主要组成金属元素的缩写,并根据不同的含量比例而命名。根据镍含量的不同,有不同的编号,最著名的是 NCM523 和 NCM811。



镍锰钴(NMC)电池具有良好的续航能力和充电性能,是目前电动汽车中最常见的电池正极材料。NMC 电池的主要优势是能量密度高,可达 250 Wh/Kg左右,这意味着它可以在每个电池的体积中容纳更多能量,从而提供更长的行驶里程,并且节省空间,另外NMC电池对低温的敏感性更低,它可以在寒冷的气候条件下更快地充电。钴和镍的开采污染环境,而且价格昂贵,NMC 电池组的价格高于 LFP 电池组。

此外,NMC 的寿命较短,估计只能保证 1000-2000 次完整的充电循环(0 到 100% )。但是1000 次循环后,容量可能会下降约 40%。大多数汽车品牌建议 NMC 电池组的日常充电限制为 80%,以保持电池良好的健康状态。

1.2 NCA
镍钴铝三元电池,简称NCA,也是取其主要元素组成的三个缩写,其中三种元素的比例为8:1.5:0.5。其能量密度达到现行国家标准要求的峰值 350Wh/kg,充放电效果也是一流的,长期续航能力强于 NCM811。

镍钴铝(NCA)阴极锂离子电池与 NMC 电池基本相似。不过,NCA 将锰换成了更便宜的铝,并减少了阴极中的钴用量。NCA 电池所含的铝是一种碱性金属,电池工作中,可能会引起副反应释放出大量气体。这将导致电池鼓包。NCA电池中的镍含量越高,热稳定性也越差。与 NMC 电池相比,NCA 电池具有更高的能量密度,它将对环境不友好的锰换成了铝,也提高了电池的使用寿命。但是NCA 电池组的生命周期仍然较短,由于它使用了钴和镍,导致价格也比 LFP 电池贵。
1.3 LFP
磷酸铁锂电池,简称 LFP,LFP电池的特点是能量密度低,仅为 200Wh/kg,且不耐寒。当外界温度低于零下 10-20°C 时,磷酸铁锂电池的能量密度会成比例地衰减,导致电池寿命缩短。

此外,LFP电池具有耐高温、内部结构稳定、电池形状安全性强等特点。即使达到最高700-800°C,它也不会像三元电池那样容易爆炸。磷酸铁锂(LFP)作为一种成本更低、更可持续的电池类型正在崛起,它被认为是降低入门级电动汽车价格门槛的关键。与 NMC 和 NCA 不同,LFP 电池不含镍、钴和镁,因此制造成本更低。LFP 的一个关键优势是其生命周期更长。LFP 电池组能够进行 3000 次以上的完全充电循环,而 NMC 电池组只能进行 1000-2000 次循环。但是,LFP 电池不仅能量密度较低(比 NMC 低约 70%),而且在低温环境下充电速度较慢,并且仍然依赖于资源有限的锂,而由于需求量大,锂的成本也在不断上升。2 电动汽车电池管理系统
不管是哪种动力电池类型,都需要电池管理系统(俗称 BMS)来管理电池的状态。BMS作为电动汽车极其重要的电子部件,它可以控制和监控电池包电压、温度和充放电状态,这些都是电动汽车电池安全运行的关键参数,从而确保电动汽车的性能和安全性。



在非正常情况下,锂离子电池可能会因过度充电/过度放电、热失控、老化和磨损等各种原因而失效,甚至导致火灾。这就需要有电池管理系统(BMS),以确保电动车电池时刻处于最佳安全模式。

电池管理系统有两种类型:集中式 BMS 和分布式 BMS。1)集中式BMS架构
在电池组组件中有一个中央 BMS,所有电池组直接连接到中央 BMS,如下图所示。集中式BMS的结构更紧凑,而且由于只有一个 BMS,因此往往最经济。不过,集中式 BMS 也有缺点。由于所有电池都直接连接到 BMS,因此 BMS 需要大量端口来连接所有电池组。这就意味着大型电池组需要大量电缆、连接器等,从而使故障排除和维护工作变得复杂。



此外,输入端很容易混淆和连接错误,连接处也可能松动,从而增加了故障的可能性。另一个缺点是系统结构缺乏可扩展性和灵活性。此外,主控制器是核心,一旦主控制器发生故障,整个系统的运行就会受到威胁。这是一个很大的缺点。

2)模块化BMS拓扑
模块化 BMS 的特点是有多个相同的模块,每个模块之间通过线束相互连接,模块通过电缆连接到单个电池或电池单元,类似于集中式 BMS。BMS 模块提供数据采集(单体电池电压、电流、温度)以及与其他 BMS 模块的通信接口。通常情况下,其中一个模块被指定为主控模块,或者由一个单独的模块作为主控模块。主控模块控制整个电池组并与系统的其他部分通信,而其他模块只是记录测量数据并将其传送给主控模块。

由于采用了重复的模块化设计,故障排除和维护更加容易,而且可以直接扩展到更大的电池组。缺点是总体成本略高,而且根据应用情况,可能会有接口未完全被使用的情况。与集中式 BMS 相比,一个 BMS 模块的故障不会危及整个电池的运行。有缺陷的电池单元或电池组可以从系统中移除,虽然会降低容量,但仍能维持运行。
3)主/从式 BMS
概念上类似于模块拓扑结构,但在这种情况下,从属设备更多局限于转发测量信息,而主设备则专门用于计算和控制以及对外通信。因此,虽然与模块类型类似,但由于从属设备的功能趋于简单,成本较低。
主从式 BMS 中电池的最大数量是提前设定好的。在系统开发过程中,使用中的电池数量是固定的。如果使用了所有输入接口,则无法增加电池数量,同样,在一些情况下,可能有些输入接头未被使用,造成资源浪费。



4)分布式BMS架构

分布式 BMS 将所有电子硬件集成在一块控制板上,控制板直接安装在被监控的电池或模块上。这样一来,相邻 BMS 模块之间的布线就只剩下几条传感器线和通信线。因此,每个 BMS 都更加独立,可根据需要进行计算和通信。



分布式 BMS 可同时提供高可靠性和稳健性,以及具有成本效益的开发流程,从而大幅降低最终电池组的成本。与集中式和模块化拓扑结构相比,分布式 BMS 的优势在于可扩展性和灵活性。没有规定输入的最大数量,即使在安装后也可以添加或移除电池单元。不需要对模块的硬件或软件进行任何更改。此外,还避免了集中式方法的单点故障。每个电池单元的本地控制还能提高安全性。另一个优点是测量精度高。此外,较短的连接线可实现更精确的电压测量和更好的抗干扰能力。模块化分布式结构便于维护或更换故障部件。

缺点是 BMS 成本增加,因为每个电池单元都需要一个单独的 BMS 模块,在大多数应用中还需要一个额外的主控制模块。

3 BMS功能
1) 电池运行状态监控

BMS 可获取电压、温度和电流等基本电池参数的实时数据。利用这些指标,BMS 可密切监控重要的性能参数,如充电状态 (SoC)(表示电动汽车电池最大容量的剩余电量)和健康状态 (SoH)(显示电池组的整体健康状态)。SoC 监控可帮助电动汽车用户评估其可支配的行驶里程,并计划充电站的停靠点,而不必担心里程焦虑。有了 SoH 监控,厂商就能帮助客户进行预防性维护,保持健康的电池状态并延长性能。





2) 热管理

电动汽车电池对温度变化非常敏感,会影响其性能和使用寿命。在这方面,BMS 通过持续监测和控制电池温度值,以保持最佳运行状态。例如,可以利用加热-冷却机制将电池保持在理想的温度范围内,以最大限度地提高其性能和使用寿命。

3) 电池包充放电平衡
BMS可以控制电池处于一个动态平衡过程,使电池包之间的性能保持一致。在充电的状态下,它通过两种不同的方法来平衡电池之间的电压:
主动平衡--将能量从过充转移到欠充;
被动平衡--多余的能量通过耗散旁路机制消耗掉。保证没有一个电池过充或欠充,提高了电动汽车电池组的效率和寿命。


4) 电池异常状态保护由于电池单元会随着时间的推移自然老化,从而失去其稳定性,因此 BMS 会对电池组的多个参数进行监控。它内置过压、欠压、过流、热管理和外部过充/过放保护功能。出现异常时,系统会自动执行预定义的保护程序,如为性能下降的电池优化低压充电,平衡老化电池引起的电压下降,以保持电池的最佳性能。
4 BMS发展的当前趋势

1)智能 BMS

通过采用先进的算法和机器学习技术,BMS 可以根据电池的使用模式、环境条件和其他动态场景优化电池性能。

2)OTA升级

无线通信协议越来越多地与 BMS 结合使用,使其能够通过OTA更新/升级系统。

3)预测性维护算法

电动汽车电池管理系统正在与先进的预测性维护系统集成。这些算法依靠实时数据来预测电池组件何时需要维修或更换,从而降低客户维护成本,提高车辆可靠性。

我们可以看到,随着新技术的不断创新,BMS 的功能也在突飞猛进,也将推动电动汽车更高效更安全地进入每一个人的生活。


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