11 February 2023

一直想系统的整理一下汽车动力电池管理系统的知识体系。今天有些空闲,就坐下来整理整理。

首先,什么是 BMS?BMS 是 Battery Management System 的简称。BMS 是对电电池组(Battery Pack)进行监控和管理的系统。电池电芯(Battery Cell)组成电池模块(Battery Module),电池模块组成电池组。因此,BMS 对电芯、模块、电池组的电压、电流、SOC、SOE、SOH、SOP 等参数进行采集、计算,进而控制电池的充放电过程,确保电池在额定的电压、电流长时间的工作,满足不同工作负载的需要。

BMS 的关键技术有以下几个方面:

  1. 电池状态评估。
  2. 电池性能平衡。
  3. 电池安全管理。

电池状态评估的关键指标有:

  • SOC 指的是 State of Capacity,即剩余电量,荷电状态,电量状态:BMS 监控的的关键状态之一,SOC 是电池可用容量与额定容量的百分比。另外,从电化学的角度来看,由于可用电荷量依赖于电极中储存的锂离子量,所以 SOC 也可用通过锂浓度来计算。
  • SOE 指的是 State of Energy,即剩余能量,能量状态:在不同 SOC 状态下,由于电池的电势水平在放电过程中会有明显的下降趋势,因此,在不同的剩余电量情况下,电池的剩余能量会有不同的变化曲线。
  • SOH 指的是电池健康状态:由于电池内部的化学反应,电池在使用过程中会出现性能衰退的现象。通常根据电池容量的衰退或内阻的增加来评估电池的健康状态。一般而言,当电池的容量衰减到 80% 或者内阻增加一倍时,认为该电池达到了寿命终点(End of Life,EOL)。
  • SOP 指的是电池的功率状态:表示电池在短时间内可以提供或吸收的功率。电池 SOP 可以看作在考虑了各种工况下,极限电流和相应电压的乘积。

BMS 需要提供电池性能平衡管理。因为动力电池是通过多个电池模组、电芯串并联一起工作从而达到额定电压的需求。而电芯之间因为其存在一定的不一致性,当某些电芯与其他电芯不匹配。则可能会有一个或多个电芯充电不足或过度充电,这两种情况都可能导致电池故障。 改善这种情况的方法称为电池平衡(Battery Equalization)。平衡是强制所有电池具有相同电压的过程。电池平衡有被动平衡和主动平衡方法:

  • 被动平衡方法:在一般的锂电池管理系统中,每个电池单元都通过一个开关连接到一个负载电阻。将不需要的充电电流分流至电阻,让电阻耗散这些电流,避免电池的过充过放。
  • 主动平衡法:通过一个用于转移能量的存储元件,确保锂电池组内的电芯无论是在充电、放电还是闲置状态都能传送电荷,从而使电芯之间保持动态平衡。

电池安全管理是 BMS 基本需求之一。BMS 不仅要通过能量管理、监控诊断避免出现电池过充电(Over Charge)、电池过放(Over Discharge)、过热(Over Heating)、过流(Over Current);还要通过高压互锁(High Voltage Inter-Lock)和绝缘检测,发现高压连接器意外断开的故障。

从技术实现角度看,BMS 的控制架构又分为集中式架构、模块架构、主从架构和分布式控制。控制器与传感器执行器之间会用到 CAN、CANOpen、FlexRay 等总线协议。电池状态评估会用到等效电路模型(Equivalent Circuit Model)、电化学模型(Electrochemical Model)、神经网络模型(Neural Network Model)。

BMS 的主要作用:

  • 保障产品的功能安全
  • 提升电池的使用寿命和可靠性
  • 确保电池的性能和工作范围
  • 诊断、数据收集、外部通信
  • 避免意外、保障性能,减少产品召回损失