电池管理系统的功能-新能源汽车概论（全彩版）

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-4-4常见的动力电池管理系统功能① 数据采集。包括SOC 估计和SOH 估计，SOC 提供电池剩余电量的信息，SOH 提供电池健康状态的信息，目前的动力电池管理系统都实现了SOC 和SOH 估计功能。指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能。电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC 等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。

1.概述

电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路采集电池状态信息数据后，由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后电池管理系统根据分析结构对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递参数信息。

动力电池管理系统对动力电池的电压、电流、温度进行时刻检测，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、放电功率、报告SOC（State of Charge荷电状态）、SOH（State of Health，性能状态，也称健康状态），还根据动力电池的电压、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。常见的动力电池管理系统功能如图2-4-4 所示。

pagenumber_ebook=44,pagenumber_book=37

图2-4-4　常见的动力电池管理系统功能

① 数据采集。动力电池管理系统所有功能的基础，需要采集的数据信息有电池组总电压、电流、电池模块电压和温度。

② 状态估计。包括SOC 估计和SOH 估计，SOC 提供电池剩余电量的信息，SOH 提供电池健康状态的信息，目前的动力电池管理系统都实现了SOC 和SOH 估计功能。

③ 热管理。指BMS 根据热管理控制策略进行工作，以使电池组处于最优工作温度范围。

④ 数据通信。指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能。

⑤ 安全管理。电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC 等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。

⑥ 能量管理。对电池组充放电过程的控制，其中包括对电池组内单体或模块进行电量均衡。

⑦ 故障诊断是指使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或模块。

电池管理系统与整车控制系统的关系如图2-4-5 所示。

pagenumber_ebook=45,pagenumber_book=38

图2-4-5　电池管理系统与整车控制系统的关系

2.数据采集

BMS 实时准确地采集动力电池总电压、总电流及单体电池电压和温度等信息，是动力电池管理系统中重要的功能之一，其采集精度和速率代表了BMS 的优劣。

①单体电池电压采集。采集单体电池电压是BMS 控制策略中的重要因素之一，要求采集精度在3 mV 以内。

②单体电池温度信息采集。动力电池的性能受单体电池的温度影响较大，当单体电池温度过高或过低时充、放电会对单体电池的寿命产生直接的影响，对于单体电池温度的精度要求一般在1 ℃以内。

③动力电池总电压采集。动力电池总电压分为箱内电压和箱外电压两路。BMS 通过箱内、外电压的比较，来判断是否完成预充电过程。动力电池总电压既可直接测量也可通过分压电路采集得到。

④电流采集。动力电池充、放电电流的采集对于评估动力电池的荷电状态SOC 及充、放电保护有重要的意义。在硬件电路设计中多采用霍尔式电流传感器或分流器采集电流，精度要求在1%。为了保证测量精度，通常采用两路电流传感器来互相校正。

3.SOC 估算

动力电池荷电状态SOC 描述动力电池剩余电量的数量，是动力电池使用过程中最重要的参数之一。由于SOC 受充放电倍率、温度、自放电、老化等因素的影响，使得动力电池在使用过程中表现出高度的非线性，这为准确估计SOC 带来很大难度。到目前为止，虽然新的SOC 估计方法不断出现，但电动汽车动力电池SOC 的精确估计问题一直没有得到彻底解决。另外，电动汽车使用的都是动力电池，如何定义一致性不好的电池模组或单体电池的SOC 仍然是一个课题。实际使用过程中常用的方法是将电池模组等效为一个电池单体。为了确保动力电池的安全性，常使用能力最差电池单体的SOC 来定义电池组的SOC。

目前较常采用的方法有放电试验法、安时计量法、开路电压法、负载电压法、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法。

（1）放电试验法

放电试验法是最可靠的SOC 估计方法，即采用恒定电流对动力电池进行连续放电至终止电压，放电电流与时间的乘积即为电池的剩余电量。放电试验法在实验室中经常使用，适用于所有的动力电池，但它有两个显著缺点：需要大量时间，动力电池进行的工作要被迫中断。放电试验法不适合行驶中的电动汽车，可用于电动汽车动力电池的检修。

（2）安时计量法

安时计量法是最常用的SOC 估计方法。如果充放电起始状态为SOC0，那么当前状态的SOC 可由以下公式计算:

pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=39

式中，CN 为额定容量；I 为电池电流；η 为充放电效率。

安时计量法应用中有三个主要问题：方法本身无法给出动力电池初始SOC；电流测量不准确将造成SOC 计算误差，长时积累，误差会越来越大；必须考虑动力电池的充放电效率。电流测量问题可以通过使用高性能电流传感器来解决，但成本会增加。解决电池充放电效率问题要通过事前的大量试验建立电池充放电效率的经验公式。安时计量法可以应用于所有电动汽车动力电池。如果电流测量准确，有足够的估计起始状态的数据，安时计量法是一种简单、可靠的SOC 估计方法。

（3）开路电压法

动力电池的开路电压在数值上接近动力电池电动势。铅酸电池电动势是电解液浓度的函数，电解液密度随动力电池放电成比例降低，所以用开路电压可以比较准确地估计SOC。镍氢动力电池和锂离子动力电池的开路电压与SOC 关系的线性度不如铅酸电池，但其对应关系也可以估计SOC，尤其在充电初期和末期效果较好。

开路电压法的显著缺点是需要动力电池长时静置以达到电压稳定，动力电池状态从工作恢复到稳定需要几个小时，这给测量造成困难，静置时间如何确定也是一个问题，所以该方法单独使用只适于电动汽车驻车状态。由于开路电压法在充电初末期SOC估计效果好，常与安时计量法结合使用。

（4）负载电压法

动力电池放电开始瞬间，电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态，在动力电池负载电流保持不变时，负载电压随SOC 变化的规律与开路电压随SOC 的变化规律相似。

在动力电池放电时，根据放电电压和电流查表可以得到SOC 估计值。

负载电压法的优点是能实时估计动力电池SOC，在恒流放电时具有较好的效果。实际应用中，剧烈波动的动力电池电压给负载电压法应用带来困难。负载电压法很少应用到实车上，但常用来作为动力电池充放电截止的判据。

（5）内阻法

动力电池内阻有交流阻抗（Impedance）和直流内阻（Resistance）之分。交流阻抗和直流内阻都与SOC 密切相关。动力电池交流阻抗为电压与电流之间的传递函数，是一个复数变量，表示动力电池对交流电的反抗能力，要用交流阻抗仪来测量。动力电池交流阻抗受温度影响大，且关于在动力电池处于静置后的开路状态还是在充放电过程中进行交流阻抗测量存在争议，所以很少用于实车上。

（6）神经网络法

估计动力电池SOC 常采用三层典型神经网络。输入、输出层神经元个数由实际需要来确定，一般为线性函数。中间层神经元个数取决于问题的复杂程度及分析精度。估计动力电池SOC 常用的输入变量有动力电池的电压、电流、温度、内阻、累积放出电量、环境温度等。神经网络输入变量的选择是否合适、变量数量是否恰当，直接影响模型的准确性和计算量。神经网络法适用于各种动力电池，缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。

（7）卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法的核心思想是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估计。应用于动力电池SOC 估计，动力电池被看成动力系统，SOC 是系统的一个内部状态。

卡尔曼滤波法估计动力电池SOC 的研究在近年才开始。该方法适用于各种动力电池，与其他方法相比，尤其适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车动力电池SOC 的估计。它不仅给出了SOQ 的估计值，还给出了SOC 的估计误差，缺点是对动力电池模型准确性和计算能力要求高。

4.动力电池热管理

动力电池的温度是影响整体性能的重要因素之一，而动力电池的性能优劣对于电动汽车的续驶里程有着重要的影响，可通过热管理系统控制动力电池始终工作在最佳工作状态。

动力电池热管理系统有以下五项主要功能。

① 动力电池温度的准确测量和监控。

② 动力电池温度过高时的有效散热和通风。

③ 低温条件下的快速加热，使动力电池能够正常工作。

④ 有害气体产生时的有效通风。

⑤ 保证动力电池温度场的均匀分布。

动力电池热管理系统传热介质对热管理系统的性能有很大影响。按照传热介质分类，热管理系统可分为风冷却、液体冷却及相变材料冷却三种方式。风冷却是最简单的方式，只需让空气流过单体电池表面。液体冷却分为直接接触和非直接接触两种方式。矿物油可作为直接接触传热介质，水或者防冻液可作为典型的非直接接触传热介质。液体冷却必须通过水套等换热设施才能对动力电池进行冷却，这在一定程度上降低了换热效率。动力电池壁面和流体介质之间的换热率与流体流动的形态、流速、流体密度和流体热传导率等因素相关。

风冷却方式的主要优点有：结构简单，重量相对较小；没有发生漏液的可能；有害气体产生时能有效通风；成本较低。风冷却方式的缺点在于其与动力电池壁面之间换热系数低，冷却、加热速度慢。

液体冷却方式的主要优点有：与动力电池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快；体积较小。液体冷却方式的主要缺点有：存在漏液的可能；重量相对较大；维修和保养复杂；需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。

5.其他功能

（1）故障诊断预警功能

利用采集的数据分析动力电池的各种参数，并给予适当的预警，避免出现故障影响人车安全。在电动汽车研发和测试过程中，会不可避免地出现各种问题，通过故障诊断可方便及时地发现问题，从而使电动汽车的动力电池技术越来越成熟。

（2）继电器和风扇管理

继电器是动力电池内主要的部件之一，BMS 通过对继电器的管理可完成对动力电池内各个电路的控制，从而对充、放电进行管理和实现热管理。为防止动力电池过充电和过放电，BMS 控制总高压继电器来实现对动力电池的保护。BMS 可通过控制冷却风扇的运转来实施对动力电池的热管理，防止动力电池在充、放电过程中过热而造成严重损坏。

（3）CAN 总线数据通信

在动力电池的使用过程中，需按照要求将单体电池电压、温度、电流和SOC、SOH等动力电池运行的相关状态信息进行上报。对于使用多个单体电池串、并联组成的动力电池来说，这种上报的信息包含两个方面。一方面是上报信息到动力电池管理系统之外，如整车控制器和驱动电机控制系统，为其提供所需要的数据；同时接收该系统所提供的信息，为制定合理的动力电池管理方案提供依据。另一方面是各电池模组之间的信息数据交换，为此制定通信方式和协议，实时了解单体电池容量和性能、保证单体电池安全可靠运行是BMS 中一个关键的问题。

一般动力电池管理系统厂商会选用CAN-BUS 总线的通信方式，实现与整车或其他模块进行数据交换。

（4）高压环路互锁

动力电池的动力输出端需要通过高压插接件连接到动力线缆。BMS 控制器向插接件发送HVIL 信号，同时接收插接件反馈的信号。若接收成功则证明插接件高压环路互锁功能正常，反之若接收不到则插接件有松动现象，BMS 发出警示信号提示维修人员进行相应的处理。

（5）单体电池均衡功能

当多节单体电池组成电池模组时，由于单体电池的不一致性，必须进行均衡处理来使动力电池内各单体电池的压差较小，以更好地延长动力电池的使用寿命。目前单体电池均衡分为主动均衡和被动均衡两种方式。主动均衡是将单节能量高的单体电池能量转移到能量低的单节电池中，这是一种无损的均衡方式；被动均衡是通过在每一节单体电池正、负极端并联一个可控电阻，在需要时把多余的能量消耗掉。目前主动均衡方式应用不广，国内厂商多采用被动均衡方式。

（6）动力电池的绝缘检测功能

绝缘检测功能是保证动力电池安全的重要功能之一，动力电池内是数百伏的高压，若出现漏电会对驾乘人员造成严重的安全隐患。BMS 时刻监测动力电源的总正和总负对车身搭铁的绝缘阻值，如果出现阻值低于阈值，BMS 则上报故障，同时断开高压电，确保驾乘人员安全。

电池管理系统的功能-新能源汽车概论（全彩版）

相关推荐