浅谈电池三部曲的整体设计

电池管理系统 (BMS) 技术

动力电池系统三大关键技术如图1所示。本次计划开展纯电动汽车动力电池系统关键技术系列文章。目的是梳理当前的一些技术瓶颈，探讨当前市场的解决方案，希望对大家有所帮助。本次讨论是电池整体设计三部曲的结尾——电池管理系统技术

图1纯电动汽车电池系统关键技术

通常一个动力电池系统由电池组、电池管理系统和电池传感器及执行器三部分组成车用蓄电池管理系统，而电池管理系统动态监测电池组和电池单元的运行状态，并准确测量剩余电量的电池。同时对电池进行充放电，保护电池，使电池工作在最佳状态。

图2电池管理系统网络拓扑

电池管理系统与电池紧密结合。它随时监控电池的电压、电流和温度。还进行漏电检测、热管理、电池平衡管理、报警提醒、计算剩余容量、放电功率、上报SOC/ SOH状态下，算法根据电池电压、电流、温度控制最大输出功率获得最大里程，算法控制充电器以最佳电流充电。系统、车辆显示系统等进行实时通信。

1 电池管理系统的拓扑分类

目前业界的电池管理系统主要分为集中式拓扑和分布式拓扑两大类。如表1所示，比较了不同类型电池管理系统的特性。

图 3 集中式电池管理系统 图 4 分布式电池管理系统

2.电池管理系统关键技术

2.1 电池平衡功能

由于生产工艺因素和电池本身的内阻，电池的一致性是不同的车用蓄电池管理系统，所以在电池的充放电过程中，电池的功率表现出不同的特性。根据不同的原因，电池可分为两种类型的不一致。

图5电池不一致性分类

BMS可以通过均衡功能解决电池组使用中的第一类不一致性和第二类不一致性。平衡分为主动平衡和被动平衡。被动均衡也称为能量耗散均衡。被动均衡以电阻能耗法为代表，可实现充电均衡。通过开关信号，将高电池的容量以热量的形式进行转换。这种平衡通常需要注意热平衡的管理，防止热量过大而影响主板的工作。主动平衡也称为容量转移平衡，是利用电感或电容等储能元件，将电池组中的高容量单体电池通过储能元件转移到容量较低的电池组。表示有源平衡 DC/DC 转换器。基于此，主动平衡可以分为以下四种方式，每种方式都可以实现充电平衡和放电平衡：

1）电池组对电芯进行均衡（放电均衡效果特别好）；

2）单电池平衡（最佳充电平衡）；

3）电池组与单体电池双向平衡；

4）单体与单体之间的平衡。

图 6 被动均衡示例 图 7 主动均衡示例

需要强调的是，业界对电池管理系统的均衡功能往往存在一定的误解。均衡化并不能修复电池的一致性，只能在一定程度上缓解电池不一致性带来的影响。平衡只能起到调节作用，“治标不治本”。纯充均衡或放电均衡只能解决第二类不一致性问题，而且还要看均衡能力，没有办法处理电池容量的差异（第一类不一致性）。只有充放电均衡才能改善第一类不一致性。因此，从上游提高电芯生产过程的稳定性，保证电池产品的一致性，是解决此类问题的根本途径。

2.2 电池管理系统状态（SOC、SOH、SOP、SOE）评估

稳定性和可靠性是BMS的基础，没有稳定性和可靠性就谈不上别的。电池管理状态（SOC、SOH、SOP、SOE）的评估取决于电池电压、电池温度以及电池电流等数据的准确性。

目前市场上大部分BMS不具备检测单个电池所有电芯温度的功能，但从技术角度来说，采集每个电芯的温度非常重要。在电池连接松动、使用不当、内部故障等情况下，一个很重要的表现就是温升。通过检测每个电芯的温度，可以实时了解电池的运行状态，提供异常告警，避免事故发生。

几乎所有的BMS都具有电流测量功能。 BMS将测得的电流传输给主控制器，形成闭环反馈控制。一方面可以在充电过程中精确控制充电器的输出电流，实现既定的充电策略；另一方面可以控制负载的放电电流，保护电池在放电过程中的安全。 BMS对电流测量的精度要求很高，因为很多BMS SOC都是基于电流计算的，高精度的电流测量可以保证高精度的SOC计算。选择BMS时，电流精度越高越好。

SOC 测量是 BMS 的一项基本功能。通过SOC，用户可以估算出电池的剩余电量。单体电池的SOC测量也很重要，因为最小单体电池的SOC决定了整个电池组的SOC，有些厂家通过单体SOC来判断平衡使能。然而，SOC测量是一个行业难题，很难有一种算法能够适应所有类型的电池和所有使用条件。

总结：

随着近年来通信技术的进步，无线BMS技术和采样精度更高的电气元件逐渐出现。在笔者看来，BMS在满足基本功能的前提下，兼顾系统可靠性和成本因素，寻求平衡即可，不必过于追求极致的性能参数。对于电池管理系统的均衡功能，单独充电均衡或放电均衡并不能显着改善容量差异，只有大电流充放电均衡才能改善容量不一致性。从上游提高电芯生产过程的稳定性，保证电池产品的一致性，是解决此类问题的根本途径。