圖1安全工作區域示意

 

1 電池管理係統(BMS)定義

 

鋰離子電池的安全工作區域如圖1所示。BMS的主要任務是保證電池係統的設計性能：1)安全性;;2)耐久性;3)動力性。

 

BMS軟硬件的基本框架如圖2所示，應該具有的功能：1)電池參數檢測。2)電池狀態估計。3)在線故障診斷。4)電池安全控製與報警。5)充電控製。6)電池均衡。7)熱管理。8)網絡通訊。9)信息存儲。10)電磁兼容。

 

圖2車用BMS軟硬件基本框架

 

2 電池管理係統關鍵技術

 

2.1 電池管理係統對傳感器信號的要求

 

2.1.1 單片電壓采集精度

 

一般地，為了安全監控

，電池組中的每串電池電壓都需要采集。不同的體係對精度的要求不一樣。

 

圖3單體電池OCV曲線及其電壓采集精度要求

 

對於LMO/LTO電池，單體電壓采集精度隻需達到10mV。對於LiFePO4/C電池，單體電壓采集精度需要達到1mV左右。但目前單體電池的電壓采集精度多數隻能達到5mV。

 

2.1.2 采樣頻率與同步

 

電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)信(xin)號(hao)有(you)多(duo)種(zhong)，而(er)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)一(yi)般(ban)為(wei)分(fen)布(bu)式(shi)，信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)，不(bu)同(tong)控(kong)製(zhi)子(zi)板(ban)信(xin)號(hao)會(hui)存(cun)在(zai)同(tong)步(bu)問(wen)題(ti)，會(hui)對(dui)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)算(suan)法(fa)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)。設(she)計(ji)BMS時
，需要對信號的采樣頻率和同步精度提出相應的要求。

 

2.2 電池狀態估計

 

電池各種狀態估計之間的關係如圖4所示。電池溫度估計是其他狀態估計的基礎。

 

圖4電池管理係統算法框架

 

2.2.1 電池溫度估計及管理

 

溫wen度du對dui電dian池chi性xing能neng影ying響xiang較jiao大da，目mu前qian一yi般ban隻zhi能neng測ce得de電dian池chi表biao麵mian溫wen度du，而er電dian池chi內nei部bu溫wen度du需xu要yao使shi用yong熱re模mo型xing進jin行xing估gu計ji。根gen據ju估gu計ji結jie構gou對dui電dian池chi進jin行xing熱re管guan理li。

 

圖5電池內部溫度估計流程

 

2.2.2 荷電狀態(SOC)估計

 

SOC算法主要分為單一SOC算法和多種單一SOC算法的融合算法。單一SOC算法包括安時積分法、開路電壓法
、基於電池模型估計的開路電壓法
、其他基於電池性能的SOC估計法等。融合算法包括簡單的修正、加權、卡爾曼濾波以及滑模變結構方法等。

 

卡爾曼濾波等基於電池模型的SOC估計方法精確可靠，是目前的主流方法。

 

2.2.3 健康狀態(SOH)估計

 

SOH是指電池當前的性能與正常設計指標的偏離程度。圖6為電池性能衰減原理簡單示意圖。目前SOH估計方法主要分為耐久性經驗模型估計法和基於電池模型的參數辨識方法。

 

圖6鋰離子電池雙水箱模型

 

2.2.4 功能狀態(SOF)估計

 

估計電池SOF可以簡單認為是在估計電池的最大可用功率。常用的SOF估計方法可以分為基於電池MAP圖的方法和基於電池模型的動態方法兩大類。

 

2.2.5 剩餘能量(RE)或能量狀態(SOE)估計

 

RE或SOE是電動汽車剩餘裏程估計的基礎，與百分數的SOE相比，RE在實際的車輛續駛裏程估計中的應用更為直觀。

 

圖7電池剩餘能量(RE)示意

 

圖8是一種適用於動態工況的電池剩餘放電能量精確預測方法EPM(energypredictionmethod)。

 

圖8電池剩餘放電能量預測方法(EPM)結構

 

2.2.6 故障診斷及安全狀態(SOS)估計

 

故障診斷是保證電池安全的必要技術之一。安全狀態估計屬於電池故障診斷的重要項目之一
，BMS可以根據電池的安全狀態給出電池的故障等級。

 

2.2.7 充電控製

 

充(chong)電(dian)析(xi)鋰(li)是(shi)影(ying)響(xiang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)的(de)主(zhu)因(yin)，目(mu)前(qian)對(dui)於(yu)析(xi)鋰(li)的(de)機(ji)理(li)已(yi)經(jing)有(you)了(le)研(yan)究(jiu)，基(ji)於(yu)析(xi)鋰(li)狀(zhuang)態(tai)識(shi)別(bie)的(de)充(chong)電(dian)管(guan)理(li)將(jiang)是(shi)今(jin)後(hou)的(de)主(zhu)要(yao)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)，應(ying)在(zai)保(bao)證(zheng)電(dian)池(chi)負(fu)極(ji)不(bu)發(fa)生(sheng)析(xi)鋰(li)情(qing)況(kuang)下(xia)
，盡(jin)可(ke)能(neng)增(zeng)大(da)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，縮(suo)短(duan)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)。

 

2.2.8 電池一致性與均衡管理

 

單體電池的不一致性將最終影響電池組的壽命
，主要是由單體電池容量衰減差異(不可恢複)和荷電量差異兩者造成。後者可以通過均衡方法來補償。

 

電池均衡算法分為基於電壓一致的均衡策略、基於SOC一致的均衡策略和基於剩餘充電電量的均衡策略。最後一種均衡算法約束較寬
、效率較高(圖9)。

 

圖9基於剩餘充電容量的耗散式均衡的示意

 

3 結論

 

鋰離子電池管理係統的基本研究方法為：

 

1)對鋰離子電池機理進行研究，深入了解電池性能演變過程;

 

2)對鋰離子電池性能進行測試研究，確定影響電池性能的主次因素及規律;

 

3)采用基於機理、半經驗或經驗的建模方法，建立電池管理係統可實際應用的電池係統模型;

 

4)在運行過程中，根據可采集的數據，采用在線或離線識別電池係統參數，估計出電池狀態(SOC、SOH、SOF

、SOE及故障)，並通過網絡通知整車控製器
，保證車輛安全可靠運行。

 

 

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