綜合各國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)研究情況，可以發(fā)現(xiàn)共同存在的一個(gè)現(xiàn)象，即電池是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)研究中出問(wèn)題最多的部件。在電池生產(chǎn)的過(guò)程中，電池必須要經(jīng)過(guò)化成檢測(cè)工序，即在電池生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)電池進(jìn)行多次充放電才能完成整個(gè)電池的生產(chǎn)。所以化成控制系統(tǒng)的性能直接影響著鋰電池的技術(shù)狀態(tài)、使用壽命，并決定著放電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的污染程度。為了滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行需求，電池管理系統(tǒng)在功能、可靠性、實(shí)用性、安全性等方面都做出了重要努力。

電池管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)，電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)(BMS)是連接車(chē)載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)的重要紐帶，其主要功能包括:電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);電池狀態(tài)估計(jì);在線(xiàn)診斷與預(yù)警;充、放電與預(yù)充控制;均衡管理和熱管理等。

電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用：

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，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，保護(hù)電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故；

2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區(qū)域內(nèi)，延長(zhǎng)電池的使用壽命；

3）動(dòng)力性，維持電池工作在滿(mǎn)足車(chē)輛要求的狀態(tài)下。

動(dòng)力電池的基本概念：

（1）電池容量

池容量是蓄電池的一個(gè)重要性能參數(shù)，它表示在一定放電率、溫度、終止電壓等的條件下，電池放出的電量。

電池容量用 C表示，其單位用安時(shí)（Ah）、毫安時(shí)（mAh）表示。

（2）充電速率和放電速率

此概念利用電池額定容量和充電時(shí)間（放電時(shí)間）的比值來(lái)表示，可以比較不同電池的充放電速度。

（3）電池的過(guò)充

電池的過(guò)充即是對(duì)電池進(jìn)行了過(guò)度的充電，過(guò)充會(huì)給電池造成一定的損害。當(dāng)快接近充電結(jié)束的過(guò)程時(shí)，即電池電量快滿(mǎn)的時(shí)候，只能用小電流對(duì)電池進(jìn)行低速率充電。因?yàn)橹挥行‰娏鞒潆娝a(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，在電池內(nèi)部積聚的氣體較少，而且給電池散熱的時(shí)間充足。

（4）充電終止電壓/放電終止電壓

當(dāng)蓄電池充滿(mǎn)電時(shí)，表示電池極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，所以在這個(gè)時(shí)候即使繼續(xù)對(duì)蓄電池充電，蓄電池的電壓再也不會(huì)升高，此時(shí)蓄電池的電壓稱(chēng)為充電終止電壓。類(lèi)似地，放電終止電壓就是放電時(shí)候能達(dá)到的最低電壓。

（5）電池的內(nèi)阻

蓄電池兩端測(cè)得的阻值稱(chēng)為蓄電池的內(nèi)阻。

（6）電池的生命周期及老化

電池的整個(gè)生命周期會(huì)經(jīng)歷以下三個(gè)階段：在剛開(kāi)始使用階段時(shí)，容量會(huì)增大5%~10%；接下來(lái)的階段，容量保持不變；最后一個(gè)階段，電池容量開(kāi)始慢慢減少。這段容量減少的階段就是電池的老化階段。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池容量降到額定容量的 80%時(shí)，則認(rèn)為電池壽命結(jié)束。

圖1 車(chē)用BMS軟硬件基本框架

電池管理系統(tǒng)的主要組成是：

（1）電池終端模塊（主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如：電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度、通信信號(hào)等）；

（2）中間控制模塊（主要與整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制充電機(jī)等）；

（3）顯示模塊（主要進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互）。

為滿(mǎn)足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，BMS的這些組成模塊要完成的如下工作：

（1）電池參數(shù)檢測(cè)。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(cè)（防止出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放甚至反極現(xiàn)象）、溫度檢測(cè)（最好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器）、煙霧探測(cè)（監(jiān)測(cè)電解液泄漏）、絕緣檢測(cè)（監(jiān)測(cè)漏電）、碰撞檢測(cè)等；

（2）電池狀態(tài)估計(jì)。包括荷電狀態(tài)（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、能量狀態(tài)（SOE）、故障及安全狀態(tài)（SOS）等；

（3）在線(xiàn)故障診斷。包括故障檢測(cè)、故障類(lèi)型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測(cè)是指通過(guò)采集到的傳感器信號(hào)，采用診斷算法診斷故障類(lèi)型，并進(jìn)行早期預(yù)警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障（如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等），以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過(guò)壓（過(guò)充）、欠壓（過(guò)放）、過(guò)電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等；

（4）電池安全控制與報(bào)警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知整車(chē)控制器，并要求整車(chē)控制器進(jìn)行有效處理（超過(guò)一定閾值時(shí)BMS也可以切斷主回路電源），以防止高溫、低溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、漏電等對(duì)電池和人身的損害；

（5）充電控制。BMS中具有一個(gè)充電管理模塊，它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機(jī)的功率等級(jí)，控制充電機(jī)給電池進(jìn)行安全充電；

（6）電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息，采用主動(dòng)或被動(dòng)、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量；

（7）熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動(dòng)加熱/散熱的強(qiáng)度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能；

（8）網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS需要與整車(chē)控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信；同時(shí)，BMS在車(chē)輛上拆卸不方便，需要在不拆殼的情況下進(jìn)行在線(xiàn)標(biāo)定、監(jiān)控、升級(jí)維護(hù)等，一般的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN；

（9）信息存儲(chǔ)。用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等；

（10）電磁兼容。由于電動(dòng)車(chē)使用環(huán)境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時(shí)要求BMS對(duì)外輻射小。

圖2 電池管理系統(tǒng)算法框架

電池系統(tǒng)的總體研究

熱量管理

在所有的環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大，對(duì)蓄電池的很多特性都會(huì)產(chǎn)生影響。因?yàn)殡姵乇旧淼幕瘜W(xué)材料比較復(fù)雜，所以為了計(jì)算方便可以將蓄電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部電池(熱源)和電池外殼的模型簡(jiǎn)化，進(jìn)而進(jìn)行散熱仿真分析。

圖3 蓄電池簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

電壓采集

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。電動(dòng)汽車(chē)電池組由上百節(jié)的單體電池串聯(lián)，需要眾多電壓采樣通道。測(cè)量單體電壓時(shí)，存在著累積電勢(shì)，且各節(jié)單體的累積電勢(shì)各不相同，無(wú)法統(tǒng)一補(bǔ)償或消除。可以采取“先集中后分布”的采集方案，提高可靠性。

電流采集

電流的采樣是估計(jì)電池剩余容量(SOC)的主要依據(jù)，因此必須選用響應(yīng)速度快，具有優(yōu)良線(xiàn)性度的高精度傳感器作為電流采集單元。

荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)

目前，對(duì)SOC的研究已經(jīng)基本成熟，SOC算法主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為單一SOC算法，另一類(lèi)為多種單一SOC算法的融合算法。單一SOC算法包括安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、基于電池模型估計(jì)的開(kāi)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（或擴(kuò)展卡爾曼濾波）以及滑模變結(jié)構(gòu)方法等。

電池循環(huán)壽命 （SOH）估計(jì)

SOH (State of Healthy) 為電池的壽命，定義為標(biāo)準(zhǔn)狀況下蓄電池可用容量占標(biāo)準(zhǔn)容量的百分比。耐久性是當(dāng)前業(yè)界研究熱點(diǎn)，表征電池壽命的主要參數(shù)是容量和內(nèi)阻。一般地，能量型電池的性能衰減用容量衰減表征，功率型電池性能衰減用電阻變化表征。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。

電池一致性與均衡管理

電池一致性是指同一規(guī)格型號(hào)的電池組成電池組后，各單體電池的電壓、荷電量、容量及其衰退率、內(nèi)阻及其隨時(shí)間變化率、壽命、自放電率及其隨時(shí)間變化率等參數(shù)存在一定的差別。在電池生產(chǎn)與成組過(guò)程中，特別是車(chē)用動(dòng)力電池，如果制造環(huán)境較差，質(zhì)量控制不得當(dāng)，單體電池間會(huì)出現(xiàn)較大差異。隨著使用時(shí)間的變化，車(chē)用動(dòng)力電池的不一致性會(huì)變得越來(lái)越差，最終影響電池組的使用壽命。

電池不一致性主要是由單體電池容量衰減差異和荷電量差異兩者造成。單體電池容量的衰減是不能恢復(fù)的。而荷電量差異可以通過(guò)均衡方法來(lái)補(bǔ)償。

故障診斷與失效處理

故障診斷功能是 BMS 的重要組成部分，混合動(dòng)力汽車(chē)的故障診斷程序可以診斷和處理 400 多種各類(lèi)故障。故障診斷可以在電池工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)掌握電池的各種狀態(tài)，甚至在停機(jī)狀態(tài)下也能將電池故障信息定位到蓄電池系統(tǒng)的各個(gè)部分（包括電池模塊）。BMS 根據(jù)故障原因?qū)Ω鞣N故障診斷分別設(shè)置了診斷程序的進(jìn)入與退出條件，采用分時(shí)診斷流程，節(jié)約 CPU 的時(shí)間資源。

【小結(jié)】

綜上所述，成熟的電池管理系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，提高電池的使用效率，增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)電池使用壽命、降低運(yùn)行成本。電池管理系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的同時(shí)，其技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。