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解析電動汽車鋰離子電池BMS系統(tǒng)

鉅大LARGE  |  點擊量:1326次  |  2020年06月05日  

電動汽車的出現(xiàn),是在全球變暖、環(huán)境污染和能源危機所推動的。2015年全球電動汽車生產(chǎn)量和出貨量分別超過了50萬輛的規(guī)模,其中我國超過了37萬輛。電動汽車必須要有電能儲存裝置,目前鋰離子電池動力鋰電池的首選和主流。鋰離子電池在串聯(lián)成組使用時存在過充、過放、過流、溫度過高過低等問題,會造出鋰離子電池的迅速損壞,因此要電池管理系統(tǒng)進行管理。


、鋰離子電池

鋰離子電池指由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大重要材料和外殼制成的電池。其中正極和負(fù)極材料必須能夠可逆的嵌入和脫嵌鋰離子,隔膜必須是鋰離子導(dǎo)通而電子絕緣,電解液必須是鋰離子溶液。


通常正極材料里是一個過渡元素發(fā)生氧化還原反應(yīng),而金屬鋰和碳負(fù)極是金屬鋰發(fā)生氧化還原反應(yīng)。充放電過程,鋰離子在電池內(nèi)部正負(fù)極之間來回轉(zhuǎn)移,電池在外電路移動。有人形象地把這種鋰離子轉(zhuǎn)移過程成為搖椅,而將鋰離子電池稱為搖椅式電池。


圖1鋰離子電池的工作過程圖示


鋰離子電池正極材料一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物,如Ni、Co、Mn的嵌鋰氧化物。負(fù)極材料則要選擇電位盡可能接近金屬鋰的嵌鋰化合物,如各種碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。


電解液普遍使用報告LipF6的溶液,溶質(zhì)為有機物,常用的有乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(pC)和低密度二乙烯碳酸酯(DEC)等;隔膜重要由烯烴類聚合物制成多孔復(fù)合膜;外殼材料有鋼、鋁、塑料、鋁塑膜等。鋰離子電池典型的結(jié)構(gòu)如下圖:


圖2方形電池的典型結(jié)構(gòu)


鋰離子電池典型參數(shù)有:容量、內(nèi)阻、電壓;鋰離子電池特性參數(shù)有:循環(huán)壽命、放電平臺、自放電率、溫度性能、儲存性能等。鋰離子電池安全測試有:過充、短路、針刺、跌落、浸水、低壓、振動等。


鋰離子電池比較嬌貴,其充放電是一個多變量、非線性復(fù)雜的電化學(xué)過程,假如不能滿足其充放電的條件要求,很容易出現(xiàn)壽命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件,因為鋰離子電池關(guān)于溫度、電壓、電流等很敏感。


2、電池管理系統(tǒng)的發(fā)展

早期的電池管理系統(tǒng)有:德國1991年開始設(shè)計的BADICHEQ和BADICOaCH系統(tǒng),美國通用汽車EV1使用的電池管理系統(tǒng),美國ACpropulsion公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。


國內(nèi)最早重要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢聯(lián)合一些大的汽車和電池生產(chǎn)商進行了一些研究工作,清華大學(xué)為EV-6568輕型電動客車配套了電池管理系統(tǒng)、同濟大學(xué)和北京星恒合作開發(fā)了鋰離子電池管理系統(tǒng)、春蘭研究院開發(fā)了HEV-BMS系統(tǒng)、北京理工和北方交通大學(xué)等依托國家863計劃電動汽車重大專項子課題,也開發(fā)了有特色的電池管理系統(tǒng)。隨著電動汽車市場的啟動,許多商業(yè)化的產(chǎn)品都獲得了大批量的應(yīng)用。


3、電池管理系統(tǒng)研究內(nèi)容

首先,要研究電池管理系統(tǒng),一般研究單片機為核心,車載網(wǎng)絡(luò)為分布系統(tǒng)。然后研究傳感,因為要檢測電池的參數(shù)。一般檢測電壓、電流、溫度。數(shù)據(jù)和控制的傳輸需網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn),一般用CAN網(wǎng)絡(luò)。執(zhí)行機構(gòu),通過顯示屏、繼電器、風(fēng)扇、泵、電機等來實現(xiàn)。


圖3電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)示意圖


有了管理的實現(xiàn)系統(tǒng),要管理的運行系統(tǒng)。對電池的管理,分為放電、充電和靜置三種過程。靜置涉及到溫度、安全的管理。充電涉及到充電參數(shù)的配置,充電過程的監(jiān)控,充電過程的溫度、電壓、電流的保護。放電過程涉及到輸出功率的管理,用電規(guī)劃的管理,使用過程電壓、電流、溫度的管理。


充電放電靜置都會要參考同一個參數(shù),就是剩余可用電量,也叫荷電狀態(tài)(SOC,stateofCharge)。鋰離子電池的放電過程是很復(fù)雜的電化學(xué)過程,受到很多因素的影響,剩余電量的估算十分困難,困難重要來自如下幾個方面:


一是電池的容量不固定,在完全相同的經(jīng)歷和狀態(tài)參數(shù)下,電池的容量不是固定的;二是電池老化無法確定,電池的老化無法精確的隨時標(biāo)定,電池組內(nèi)的分散程度也無法精確隨時標(biāo)定;三是使用過程的隨機性。文獻關(guān)于各種SOC的估算方法進行了介紹。


鋰離子電池組在使用過程中,即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)越,單體之間也存在不一致,電池組在使用過程中也會使其特性出現(xiàn)變化,目前對電池組在使用過程中單體間出現(xiàn)分散性的現(xiàn)象,并無有效的解決辦法,因此要外部來解決各單節(jié)鋰離子電池在電池組中的平衡問題。


目前通用的均衡方法有耗能均衡,充電均衡和能量轉(zhuǎn)移均衡。最典型使用最廣的是耗能均衡,該方法利用發(fā)熱電阻旁路分流,原理如下圖:


圖4耗能均衡的原理示意圖


充電均衡是在充電結(jié)束時,對每個單體電池單獨使用一個小充電器將其充滿電。能量轉(zhuǎn)移均衡由于SOC測量的困難,雖然有很多的研發(fā),還沒有能進入實用的產(chǎn)品。


當(dāng)然,電池管理系統(tǒng)做到這樣還是不夠的,電池在使用過程中溫度會升高,溫度過高鋰離子電池就不能再繼續(xù)使用,這是不希望出現(xiàn)的情況。因此,最初的電池管理系統(tǒng)又新增了散熱管理的功能。再后來,發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下電池溫度過低后充放電都無法繼續(xù)進行,于是進行了加熱管理。


電池使用范圍的進一步擴大,電池安全問題增多,于是就有了安全管理的問題。最初的安全管理是監(jiān)控,BMS將電池的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)來判斷安全隱患。進一步發(fā)展到對BMS本身對安全做出預(yù)警。


電池在使用過程中總是要維護、更換單體、做均衡等,這些工作要診斷,假如BMS在要之前就已經(jīng)把診斷做好,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,那么相應(yīng)的工作就會變得簡單很多,于是電池管理系統(tǒng)又新增了故障診斷和報送的功能。


隨著退役電池的增多,電池的梯次利用和循環(huán)使用又顯示出問題來了,于梯次利用電池的配組要進行大量的研究,BMS又承擔(dān)起配組優(yōu)化的管理功能。


電池研發(fā)的進步,也依賴于電池使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題、現(xiàn)象,依靠實際使用過程的選擇,于是電池管理系統(tǒng)又新增了電池技術(shù)選擇的功能。


4電池管理系統(tǒng)發(fā)展展望

測量是電池管理基礎(chǔ),越來越精確,分辨率越來越高的技術(shù)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)。SOC估算的研究也從一色的安時積分為基礎(chǔ)發(fā)展到焦耳積分等其他方法。電池的管理功能越來越多,值得關(guān)注的是多級電池管理系統(tǒng)的興起。


從主從結(jié)構(gòu),發(fā)展到每個獨立置換單位能夠具有完整的電池管理系統(tǒng)功能。在電池系統(tǒng)之外,整車電池管理,和后臺服務(wù)器電池管理程序也在興起。此外,值得關(guān)注的是,電池管理系統(tǒng)不再是被動地去保護電池,而是優(yōu)化使用和使用環(huán)境。溫度管理是優(yōu)化使用環(huán)境,參數(shù)推演是優(yōu)化使用。隨著行業(yè)的發(fā)展,可以期待更多更好的電池管理技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)。


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