黃繼剛，李 琳，許趙瑞

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

鋰離子電池管理系統(tǒng)在電動汽車中的應(yīng)用

黃繼剛，李 琳，許趙瑞

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

詳細(xì)介紹鋰離子電池管理系統(tǒng)中的問題以及現(xiàn)今的監(jiān)控手段，針對問題提供更好的解決方法。

鋰離子電池管理系統(tǒng)；電量狀態(tài)；健康狀態(tài)；使用壽命狀態(tài)

目前，電動汽車已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，鋰離子電池由于能量密度高、容量大和續(xù)航能力強(qiáng)作為主要電源被廣泛應(yīng)用。但單節(jié)鋰離子電池間往往存在內(nèi)阻、容量和電壓等差異，實(shí)際使用中易出現(xiàn)散熱不均或過度充放電等現(xiàn)象。為了保證鋰離子的安全運(yùn)行，需要引入電化學(xué)管理系統(tǒng)來對電池組進(jìn)行有效地監(jiān)控、電池均衡和故障報(bào)警，從而提高電池組的工作效率和安全性?？紤]到電動汽車市場的迅速發(fā)展，迫切需要發(fā)展成熟的電池管理系統(tǒng)（BMS）［1-3］。當(dāng)前，智能手機(jī)和筆記本電腦的電池管理系統(tǒng)無法應(yīng)用在電動汽車上，這是因?yàn)殡妱悠囯姵亟M中電池的數(shù)量是便攜設(shè)備的數(shù)百倍。此外，電動汽車的電池組不僅是耐久的能源系統(tǒng)，而且是高倍系統(tǒng)。換言之，電動汽車的電池組需要提供高電壓和高電流，這就使得其電池管理系統(tǒng)更加復(fù)雜。電池管理系統(tǒng)（圖1）應(yīng)該包括電池監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，在電池高效安全傳輸電能的同時保證電池的循環(huán)壽命。其主要任務(wù)是保證電池組安全高效地工作，提供行駛過程中所需的信息，在出現(xiàn)異常情況時及時報(bào)警，并根據(jù)不同行駛環(huán)境、電池狀態(tài)及行駛需求來自動調(diào)節(jié)電池的充放電功率。電池管理系統(tǒng)通過傳輸裝置與電動汽車的各個控制器連接，首先利用數(shù)據(jù)采集模塊收集電池組的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)，發(fā)送到主控模塊，主控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，作出合理的程序控制和指令，對電池組進(jìn)行調(diào)控，同時將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到顯示系統(tǒng)。BMS的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)評估、故障診斷報(bào)警、自動均衡和熱管理［4-5］。

圖1 電池管理系統(tǒng)示意圖

市場上，商業(yè)化的電動汽車電池管理系統(tǒng)雖各不相同，但普遍存在以下不足。

1）有限的數(shù)據(jù)記錄功能。這些數(shù)據(jù)可以用來建立和更新實(shí)時荷電狀態(tài)（SOC）。

2）缺少健康狀態(tài)（SOH）和使用壽命（SOL）的評估。二者是確保電動汽車的可靠行駛和電池定期維修的依據(jù)。

3）各電池管理系統(tǒng)之間不可替換。因?yàn)槊總€電池管理系統(tǒng)都有自己的算法和交流機(jī)制。

1 電動汽車電池管理系統(tǒng)的問題

鋰離子電池由于電能密度高、循環(huán)壽命長、自放電性能低被廣泛應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域，然而其發(fā)展卻很緩慢，這主要是歸咎于以下3個方面：① 電池狀態(tài)的評估；②電池組建模；③電池均衡。

1.1 電池狀態(tài)的評估

電池狀態(tài)評估不僅有助于判斷電池運(yùn)行環(huán)境的安全可靠，還反映了充放電信息。通常，電池狀態(tài)包括荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）［6］。SOC類似于傳統(tǒng)汽車的油表，但是它難以監(jiān)測電池的充放電循環(huán)情況，因此其精度和糾錯能力難以提高。SOH是指電池的健康狀態(tài)，它包括2部分：容量和功率的變化情況。一般情況下，當(dāng)容量衰減20%或者輸出功率衰減25%時，電池的壽命就快結(jié)束了，但這并不是說車就不能開了。對于純電動汽車（EV）來說，容量的估算要更重要，因?yàn)樗c續(xù)航里程有直接關(guān)系，而功率限制只是在SOC較低的時候才重要。

1.2 電池組建模

由于鋰離子電池復(fù)雜的電化學(xué)機(jī)制，很難建立電池模型。當(dāng)前，根據(jù)不同材料的特性和多種等效電路來建立電池模型，以前通過Matlab設(shè)計(jì)電池模型進(jìn)而評估SOC，但它是基于充放電過程中的內(nèi)阻為常數(shù)來模擬的，所以其準(zhǔn)確性仍有待改善?？紤]到電池容量會隨著充放電循環(huán)而不斷損失，筆者建立了電池的衰減模型，模型里面的參數(shù)主要根據(jù)特定正負(fù)極材料的物理性能來確定，另外，外部因素（比如環(huán)境溫度和放電過流）都將使得靜態(tài)模型的準(zhǔn)確率大大降低。

1.3 電池均衡

在電動汽車中，因?yàn)殡姵貑卧ㄟ^串、并聯(lián)組裝成電池組以滿足高電壓高容量的要求，所以總會出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。在實(shí)際使用中，每個電池的輸出電壓和容量是不一樣的。單個電池有過充和過放的限制，從而影響到整個電池組。為了降低這一影響，進(jìn)而延長電池壽命，需建立電池均衡機(jī)制，確保所有電池的荷電狀態(tài)基本一致。通常的方法一般分為2類：耗散型和非耗散型。這2種方法都可以實(shí)現(xiàn)電量調(diào)節(jié)甚至消除單個電池的不平衡電壓。耗散型的平衡器是通過并聯(lián)電阻促進(jìn)過量的電能以熱能的形式消散，而非耗散型的平衡器是利用轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)器和電容器來進(jìn)行多余能量的轉(zhuǎn)移。電池間電荷交換使得充放電過程更加復(fù)雜，均衡技術(shù)依賴于SOC的準(zhǔn)確性，所以SOC是BMS中最重要的參數(shù)，沒有精確的SOC數(shù)據(jù)，將無法使BMS正常工作［7］。

2 本文提出的電池管理系統(tǒng)BMS

通過全面的評價，鑒別了目前BMS的缺陷。為了解決這些缺陷，筆者認(rèn)為一個全面且成熟的BMS應(yīng)該有如圖2所示的基本組件。

圖2 BMS的軟硬件模塊

2.1 硬件

電池管理系統(tǒng)很早就引用了安全電路，但因筆者提出的BMS有更多的傳感器，現(xiàn)有安全電路的設(shè)計(jì)要加以改進(jìn)，例如加入防止過度充放電、過熱的精確報(bào)警模塊等。

傳感器系統(tǒng)包括用于監(jiān)測電壓、溫度、電流等電池參數(shù)的多個傳感器。一些研究者建議采用EIS來監(jiān)視內(nèi)部阻抗，但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外的空間和成本因素限制了它的可行性。因此為了改進(jìn)對現(xiàn)實(shí)生活中電池狀態(tài)的監(jiān)測，筆者只測量電流、電壓和溫度。

數(shù)據(jù)獲?。―AQ）和存儲是BMS軟件的重要組成部分，通過分析這些數(shù)據(jù)來建立一個用于系統(tǒng)建模的數(shù)據(jù)庫。

電量控制子系統(tǒng)用于管理充放電協(xié)議。電池經(jīng)常會用常電流（CC）或常電壓（CV）充電，因而要有穩(wěn)壓器和穩(wěn)流器，同時也需要可變電阻來平衡電池或測量內(nèi)部阻抗。電池平衡控制是設(shè)計(jì)重心，在平衡電池組和高效估計(jì)電池狀態(tài)方面它依然有改進(jìn)的空間。

大部分BMS的子系統(tǒng)都是獨(dú)立的模塊，因此BMS內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是必須的，CAN總線是BMS內(nèi)部的主要通信方式。隨著智能電池的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)能被收集來展示給用戶，或通過電池內(nèi)的微芯片傳遞給充電器。除此之外，無線和遠(yuǎn)程通信也逐漸被充電系統(tǒng)用于電池和充電器間的通信。

電池必須在合適的溫度條件下運(yùn)行。發(fā)熱管理模塊非常重要，因?yàn)闇囟葧绊戨姵仄胶?、可靠性和性能?/p>

2.2 軟件

軟件是整個BMS的中心，因?yàn)樗刂扑杏布倪\(yùn)行，并且利用傳感器數(shù)據(jù)來作出決策和狀態(tài)估計(jì)。開關(guān)控制，傳感器系統(tǒng)的采樣率監(jiān)視，電池平衡控制，甚至動態(tài)安全電路的設(shè)計(jì)都需要BMS的軟件。另外，不間斷地更新和控制電池需要實(shí)時的數(shù)據(jù)處理和分析，可靠的自動數(shù)據(jù)分析是成功的關(guān)鍵。因?yàn)闋顟B(tài)估計(jì)和錯誤檢測都是通過分析來完成的。這些信息都會通過一個友好的界面來展示給用戶并給出合理的建議。

BMS軟件的具體功能如下：①SOC和SOH的確定會被整合于能量評估中。能量評估也能顯示電池壽命并利用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)空間模型等先進(jìn)的算法設(shè)定使用限制［8］。②電池平衡的目標(biāo)是在避免過充過放的情況下最大發(fā)揮電池性能。自然的辦法是讓電池的SOC級別盡量接近?？刂破靼娴牟呗?，利用每個電池的SOC控制充電過程。因此，準(zhǔn)確估計(jì)每個電池的SOC是提高平衡性的基礎(chǔ)。③大多數(shù)軟錯誤會被實(shí)時數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)。需要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來分析，進(jìn)而提供電池錯誤警告并指出超過極限的狀況。通過記錄歷史數(shù)據(jù)來分析錯誤發(fā)生前的狀況［9］。④用戶界面用來向用戶展示BMS的必要信息。在儀表板上顯示SOC、工作電流、工作電壓等。另外，根據(jù)SOH、SOL給出用戶異常警告和更換建議。

3 BMS的挑戰(zhàn)與解決方法

當(dāng)前BMS仍然處于不成熟的狀態(tài)，即使最先進(jìn)的算法和控制方法，BMS的可靠性仍然遭到終端用戶的質(zhì)疑。因此在未來的發(fā)展中，要做到實(shí)驗(yàn)與實(shí)際相結(jié)合。研究大量的實(shí)驗(yàn)方法去評估鋰離子電池組的性能，卻基本上難以達(dá)到硬件的要求，比如阻抗的測量，成本高且無可行性。與此同時，實(shí)驗(yàn)室無法模擬真實(shí)環(huán)境，中央處理器也有很高的計(jì)算復(fù)雜度。所以，必須在高性能和可行性間找到可行的方法。

3.1 環(huán)境溫度變化的電池容量評估

根據(jù)特定的材料、環(huán)境條件和充放電循環(huán)來設(shè)計(jì)電池狀態(tài)模型，在恒定的放電電壓和溫度下來評估電池狀態(tài)。Ng［10］闡述了鋰離子電池在不同放電電壓和速率下的SOC模型，然而它是基于單變量分析，仍無法適用于實(shí)際。圖3是在2個放電速率和溫度下的電池容量變化情況，可以看出在相同放電速率下溫度較大時電池容量明顯較高，在相同溫度下放電速率較大時電池容量明顯較低。因此，多變量會增加評估電池狀態(tài)的復(fù)雜性。

3.2 電池最大容量的評估

鋰離子電池的最大容量決定了其性能和未來的使用壽命，當(dāng)前的評估方法主要依據(jù)是完全放電測試，由以下公式計(jì)算

圖3 18650型鋰離子電池在不同溫度和放電速率下的交替變化

可以看出，放電電流I為常數(shù)時，積分時間t越長，容量C越高。可是電池不會在恒定放電電流下被一直放電，也不會在截止電壓處容量耗盡。在實(shí)際應(yīng)用中，常見的是部分放電和多變的放電電流密度，所以評估鋰離子電池的最大容量是個很大的挑戰(zhàn)。由于每個電池都是交替進(jìn)行充放電，所以每個單電池的充電和放電速度存在差異，這會導(dǎo)致差異在電池組上的擴(kuò)散性分布。在放電過程中，電池組中電壓低于平均值的電池會首先達(dá)到電壓限值，從而阻礙其余單電池安全放電。對此，我們可以采用電荷移動方案（圖4）使電池組在放電過程中實(shí)現(xiàn)平衡，通過電感耦合或電容性儲存從電壓高的電池取得能量，并將儲存的電能傳輸?shù)阶钊醯膯坞姵?，從而減慢最弱單電池達(dá)到放電電壓限值的速度。

圖4 電荷移動方案

3.3 通信機(jī)制

電池管理系統(tǒng)需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時可靠地傳輸以保證電池組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以電池組要和電動汽車的內(nèi)部模塊有效連接。CAN總線是現(xiàn)代汽車中廣泛采用的規(guī)格，其最大的優(yōu)點(diǎn)是支持分布式控制和實(shí)時控制，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。通過CAN總線，鋰離子電池可以將電流狀態(tài)、使用歷史和SOC數(shù)據(jù)等傳輸?shù)诫姵毓芾砜刂破鳌Ｈ欢?，由于不同的制造商和?yīng)用程序使得通信機(jī)制很難統(tǒng)一。此外，無線技術(shù)也被發(fā)展用來匯總內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)、連通電池和充電器，所以在這一過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_性至關(guān)重要。

預(yù)測和健康管理是一個有效的策略，通過管理傳感器信號和處理電池狀態(tài)的實(shí)時數(shù)據(jù)，可以使評估和預(yù)判輸出合理的指令，傳達(dá)給用戶。由于電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)很難準(zhǔn)確得到，所以應(yīng)該考慮多變量因素，測量和收集電流、電壓和溫度，并開發(fā)精確的、可行性的電池模型。在電池的循環(huán)過程中，因環(huán)境多變，電池性能會衰減，所以必須及時在電池組中篩選出故障電池。

4 結(jié)論

鋰離子電池作為電動汽車的最核心能源，其性能直接影響到電動汽車的穩(wěn)定性，因此制造商們一直在尋求電池技術(shù)和電池管理技術(shù)的突破。本文討論了電池管理系統(tǒng)的電池狀態(tài)評估、電池模型和電池平衡，提出了電池管理系統(tǒng)的框架，以便解決當(dāng)前電池管理系統(tǒng)的不足，依據(jù)不同的環(huán)境，應(yīng)該開發(fā)不同的電池模型去優(yōu)化電池管理系統(tǒng)。

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（編輯 凌 波）

The Application of Lithium-ion Battery Management System in Electric Vehicles

HUANG Ji-gang， LI Lin， XU Zhao-rui
（Nanhang Jincheng College， Nanjing 211156， China）

This paperdetailly introduces current problems in Lithium-ion battery management system and its monitoring methods， as well as possible solutions.

Lithium-ion battery management system； volume status； health status； working life status

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0005-04

2016-10-25 ；

2017-03-06

2016年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201613655014Y）

黃繼剛（1982-），男，江蘇蘇州人，講師，主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂?、汽車故障診斷。