新能源汽车经过了多年的发展,电池仍然是一个技术难题,需要高精度和高鲁棒性来保证电池工作的万无一失。
新能源汽车与传统汽车最大的区别是用电池作为动力驱动,所以动力电池管理技术(Battery Management System,BMS)成为了新能源汽车研究的核心技术。
什么是电池管理系统?
电池管理系统(Battery Management System,BMS),电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,BMS系统通常包括检测模块与运算控制模块。 主要功能包括:1)电池物理参数实时监测;2)电池状态估计;3)在线诊断与预警;充、放电与预充控制;4)均衡管理和热管理等。
电池管理系统的优势:
电池管理系统(Battery Management System,BMS)的主要任务是保证电池系统的设计性能:
1)安全性,保护电池单体或电池组免受损坏,防止出现安全事故;
2)耐久性,使电池工作在可靠的安全区域内,延长电池的使用寿命;
3)动力性,维持电池工作在满足车辆要求的状态下。
电池管理系统的分类:
1)分布式电池管理系统(BMS):分布式BMS采用分布式系统架构设计,包括:主控制模块上位机(BMU),电池检测模块下位机(LECU)。
应用领域:主要适用于大巴、物流清洁等交通运输领域及大型储能领域。
2)一体机电池管理系统(BMS):一体机系列的BMS产品,高度集成了单体电池电压,电流的采集,均衡模块,SOC估算,温度采集,充放电控制模块。
应用领域:小型电动车、微型电动车。
电池管理系统的主要组成及功能:
(1)电池终端模块(主要进行数据采集,如:电压参数、电流参数、温度、通信信号等);
(2)中间控制模块(主要与整车系统进行通讯,控制充电机等);
(3)显示模块(主要进行数据呈现,实现人机交互)。
为满足相关的标准或规范,BMS的这些组成模块要完成的如下工作:
(1)电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电池电压检测(防止出现过充、过放甚至反极现象)、温度检测(最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器)、烟雾探测(监测电解液泄漏)、绝缘检测(监测漏电)、碰撞检测等;
(2)电池状态估计。包括荷电状态(SOC)或放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、故障及安全状态(SOS)等;
(3)在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号,采用诊断算法诊断故障类型,并进行早期预警。 电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障(如接触器、风扇、泵、加热器等),以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压(过充)、欠压(过放)、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等;
(4)电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后,通过网络通知整车控制器,并要求整车控制器进行有效处理(超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源),以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害;
(5)充电控制。BMS中具有一个充电管理模块,它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级,控制充电机给电池进行安全充电;
(6)电池均衡。不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息,采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式,尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量;
(7)热管理。根据电池组内温度分布信息及充放电需求,决定主动加热/散热的强度,使得电池尽可能工作在最适合的温度,充分发挥电池的性能;
(8)网络通讯。BMS需要与整车控制器等网络节点通信;同时,BMS在车辆上拆卸不方便,需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、升级维护等,一般的车载网络均采用CAN;
(9)信息存储。用于存储关键数据,如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等;
(10)电磁兼容。由于电动车使用环境恶劣,要求BMS具有好的抗电磁干扰能力,同时要求BMS对外辐射小。
动力电池的基本概念:
(1)电池容量
电池容量是蓄电池的一个重要性能参数,它表示在一定放电率、温度、终止电压等的条件下,电池放出的电量。电池容量用C表示,其单位用安时(Ah)、毫安时(mAh)表示。
(2)充电速率和放电速率
此概念利用电池额定容量和充电时间(放电时间)的比值来表示,可以比较不同电池的充放电速度。
(3)电池的过充
电池的过充即是对电池进行了过度的充电,过充会给电池造成一定的损害。当快接近充电结束的过程时,即电池电量快满的时候,只能用小电流对电池进行低速率充电。因为只有小电流充电所产生的极化现象较轻,在电池内部积聚的气体较少,而且给电池散热的时间充足。
(4)充电终止电压/放电终止电压
当蓄电池充满电时,表示电池极板上的活性物质已经达到饱和状态,所以在这个时候即使继续对蓄电池充电,蓄电池的电压再也不会升高,此时蓄电池的电压称为充电终止电压。类似地,放电终止电压就是放电时候能达到的最低电压。
(5)电池的内阻
蓄电池两端测得的阻值称为蓄电池的内阻。
(6)电池的生命周期及老化
电池的整个生命周期会经历以下三个阶段:在刚开始使用阶段时,容量会增大5%~10%;接下来的阶段,容量保持不变;最后一个阶段,电池容量开始慢慢减少。这段容量减少的阶段就是电池的老化阶段。一般来说,当电池容量降到额定容量的80%时,则认为电池寿命结束。
总结
由以上可知,电池组是新能源汽车的重要组成部件。所以,动力电池管理系统(Battery Management System,BMS)对新能源电动汽车电池起到了至关重要的作用,BMS对电池组进行安全监控及有效管理,提高电池的使用效率,增加续驶里程、延长电池使用寿命、降低运行成本。