新能源汽车BMS系统结构及关键技术解析

    传统能源和短缺以及对环境保护的客观要求下，新能源汽车成为了未来汽车的发展方向。最近几年新能源汽车产业进入快速发展轨道，2015年全球新能源汽车达到50万台销量，其中中国销售出33万台。在新能源汽车的快速发展过程中，电池管理系统（BMS）作为核心的技术发挥着举足轻重的作用。

 

    新能源汽车为什么需要BMS？

 

    锂电池通常有两种外型：圆柱型和方型。电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂（或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等）。负极材料多采用石墨。以后钛酸盐可能是更好的材料。

 

 

 

    锂电芯的内部构照图

 

    通俗的说就是锂离子在充放电的过程中通过电解液穿过隔膜不停的在正负两极之间来回搬家，锂离子的质量好坏，就取决于来回搬家的数量，多了少了都不行，控制的好，就可以反复充电下去而不减少容量，否则就会让电池容量产生永久性的下降，甚至爆炸。

 

    还有每个电芯，每一批电芯制造过程中，工艺上的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别导致内部结构和材质上的不完全一致性。

 

    实际使用中，电池组中各个电池的电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响。造成同一类型、规格的电池在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别，使其在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平，严重影响其在电动汽车上的应用。

 

    电池组都是通过串并联组成的，串联就好比一行人排成一列队形，如果其中一个人走的慢就会影响整个队伍，其中一个电芯性能下降就会影响整个电池组的性能，严重的造成整体更换。

 

    锂电池单体如果过大，使用过程中容易产生高温，不利于安全，大容量电池必须通过串并联的方式形成电池组。而每个单体电池本身不可能做到性能一致，再加上使用环境的影响，均会造成电池寿命的差别，大大影响整个电池组的寿命和性能。

 

    所以锂电池需要BMS（Battery Management System）严格控制充放电过程，避免过充，过放，过热。延长电池组的使用寿命，并发挥最大的效能。

 

    新能源汽车的电池包与BMS

 

    我们知道电动汽车动力电池是由几千个小电芯组成的，电池包的组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和BMS。

 

     

 

    新能源汽车电池包

 

    电池包是新能源汽车核心部件，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体包裹构成电池包保护主体。电芯通过模块化的结构设计实现了电芯的集成，并且包括电芯的散热硬件，散热系统设计的好坏是BMS实现优良管理的前提，这也是个家厂商技术先进与否的重要体现。通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。

 

     

 

    一个完整的电池包系统

 

    BMS的原理及系统框图

 

    电池管理系统（英语：Battery Management System，缩写BMS）是对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。随着技术发展，已经逐渐增加许多功能。

 

    电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量（SOC）、放电功率，报告电池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。

 

   

 

 

    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。

 

  

 

    BMS 中的三个关键技术及发展

 

    SOC估计

 

    即准确估计电池剩余电量，保证 SOC 维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

 

    SOC的估算精度高，对于相同量的电池，可以有更高的续航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。

 

    SOC是依据监测的外部特性信息计算出来的传输信息。SOC告知车主当前电量的同时，也让汽车了解自身电量，防止过充过放，提高均衡一致性，提高输出功率减少额外冗余。系统底层内部都是经过复杂的算法计算，保证汽车安全持续稳定运行，提高安全性。因此精确估算SOC数值变得非常重要，其算法是相关企业的核心竞争力之一。

 

     

 

    均衡控制

 

    保证电池单体的参数一致性，即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡控制分为主动均衡与被动均衡。

 

    主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，电池单体之间产生的容量或电压差异性进行均衡，来消除电池内部产生的各种不一致性。而在这一过程中，涉及到能量的转移，能量转移一般有两种方法，一种是将能量高的单体电池能量均衡到能量低的电池，另一种是将电压（容量）高的单体电池的能量转移给一个备用电池，再由备用电池转移到其它电压（容量）较低的电池。

 

    在传统能耗型BMS系统中，均衡方式主要以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充电过程中做均衡工作。其工作原理是通过对电压的采集，发现串联单体电池之间的差异，以设定好的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对电池组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。
 

 
 

    主动均衡与被动均衡对比

 

    热管理

  

    使电池工作在适当的温度范围内和降低各个电池模块之间的温度差异。热管理主要包括确定电池最优工作温度范围、电池热场计算及温度预测、传热介质选择、热管理系统散热结构设计和风机预测稳点的选择。

 

    热管理系统的关键技术有：

 

    确定电池最有工作温度范围；

 

    电池热场计算及温度预测；

 

    传热介质选择；

 

    热管理系统散热结构设计；

 

    风机与测温点选择。