電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-22 10:33
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鋰離子電池的安全工作區(qū)域BMS的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能：1)安全性;;2)耐久性;3)動(dòng)力性。
鋰離子電池安全工作區(qū)域示意
BMS軟硬件的基本框架，應(yīng)該具有的功能：1)電池參數(shù)檢測(cè)。2)電池狀態(tài)估計(jì)。3)在線故障診斷。4)電池安全控制與報(bào)警。5)充電控制。6)電池均衡。7)熱管理。8)網(wǎng)絡(luò)通訊。9)信息存儲(chǔ)。10)電磁兼容。
電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 電池管理系統(tǒng)對(duì)傳感器信號(hào)的要求
2.1.1 單片電壓采集精度
一般地，為了安全監(jiān)控，電池組中的每串電池電壓都需要采集。不同的體系對(duì)精度的要求不一樣。
單體電池OCV曲線及其電壓采集精度要求
對(duì)于LMO/LTO電池，單體電壓采集精度只需達(dá)到10 mV。對(duì)于LiFePO4/C電池，單體電壓采集精度需要達(dá)到1mV左右。但目前單體電池的電壓采集精度多數(shù)只能達(dá)到5 mV。
2.1.2 采樣頻率與同步
電池系統(tǒng)信號(hào)有多種，而電池管理系統(tǒng)一般為分布式，信號(hào)采集過程中，不同控制子板信號(hào)會(huì)存在同步問題，會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)BMS時(shí)，需要對(duì)信號(hào)的采樣頻率和同步精度提出相應(yīng)的要求。
2.2 電池狀態(tài)估計(jì)
電池各種狀態(tài)估計(jì)之間的關(guān)系如圖4所示。電池溫度估計(jì)是其他狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)。
電池管理系統(tǒng)算法框架
2.2.1 電池溫度估計(jì)及管理
溫度對(duì)電池性能影響較大，目前一般只能測(cè)得電池表面溫度，而電池內(nèi)部溫度需要使用熱模型進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)估計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)電池進(jìn)行熱管理。
電池內(nèi)部溫度估計(jì)流程
2.2.2 荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)
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(shí)積分法、開路電壓法、基于電池模型估計(jì)的開路電壓法、其他基于電池性能的SOC估計(jì)法等。融合算法包括簡(jiǎn)單的修正、加權(quán)、卡爾曼濾波以及滑模變結(jié)構(gòu)方法等。
卡爾曼濾波等基于電池模型的SOC估計(jì)方法精確可靠，是目前的主流方法。
2.2.3 健康狀態(tài)(SOH)估計(jì)
SOH是指電池當(dāng)前的性能與正常設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏離程度。為電池性能衰減原理簡(jiǎn)單示意圖。目前SOH估計(jì)方法主要分為耐久性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)法和基于電池模型的參數(shù)辨識(shí)方法。
鋰離子電池雙水箱模型
2.2.4 功能狀態(tài)(SOF)估計(jì)
估計(jì)電池SOF可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是在估計(jì)電池的最大可用功率。常用的SOF估計(jì)方法可以分為基于電池MAP圖的方法和基于電池模型的動(dòng)態(tài)方法兩大類。
2.2.5 剩余能量(RE)或能量狀態(tài)(SOE)估計(jì)
RE或SOE是電動(dòng)汽車剩余里程估計(jì)的基礎(chǔ)，與百分?jǐn)?shù)的SOE相比，RE在實(shí)際的車輛續(xù)駛里程估計(jì)中的應(yīng)用更為直觀。
是一種適用于動(dòng)態(tài)工況的電池剩余放電能量精確預(yù)測(cè)方法EPM(energy prediction method)。
2.2.6 故障診斷及安全狀態(tài)(SOS)估計(jì)
故障診斷是保證電池安全的必要技術(shù)之一。安全狀態(tài)估計(jì)屬于電池故障診斷的重要項(xiàng)目之一，BMS可以根據(jù)電池的安全狀態(tài)給出電池的故障等級(jí)。
2.2.7 充電控制
充電析鋰是影響電池壽命的主因，目前對(duì)于析鋰的機(jī)理已經(jīng)有了研究，基于析鋰狀態(tài)識(shí)別的充電管理將是今后的主要研究方向，應(yīng)在保證電池負(fù)極不發(fā)生析鋰情況下，盡可能增大充電電流，縮短充電時(shí)間。
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(不可恢復(fù))和荷電量差異兩者造成。后者可以通過均衡方法來補(bǔ)償。
電池均衡算法分為基于電壓一致的均衡策略、基于SOC一致的均衡策略和基于剩余充電電量的均衡策略。最后一種均衡算法約束較寬、效率較高。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出， 又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn)動(dòng)。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。
充放電機(jī)理
鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。
鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。
鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。
