锂离子电池管理系统在电动汽车中的应用

黄继刚，李 琳，许赵瑞

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156）

锂离子电池管理系统在电动汽车中的应用

黄继刚，李 琳，许赵瑞

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156）

详细介绍锂离子电池管理系统中的问题以及现今的监控手段，针对问题提供更好的解决方法。

锂离子电池管理系统；电量状态；健康状态；使用寿命状态

目前，电动汽车已实现商业化，锂离子电池由于能量密度高、容量大和续航能力强作为主要电源被广泛应用。但单节锂离子电池间往往存在内阻、容量和电压等差异，实际使用中易出现散热不均或过度充放电等现象。为了保证锂离子的安全运行，需要引入电化学管理系统来对电池组进行有效地监控、电池均衡和故障报警，从而提高电池组的工作效率和安全性。考虑到电动汽车市场的迅速发展，迫切需要发展成熟的电池管理系统（BMS）［1-3］。当前，智能手机和笔记本电脑的电池管理系统无法应用在电动汽车上，这是因为电动汽车电池组中电池的数量是便携设备的数百倍。此外，电动汽车的电池组不仅是耐久的能源系统，而且是高倍系统。换言之，电动汽车的电池组需要提供高电压和高电流，这就使得其电池管理系统更加复杂。电池管理系统（图1）应该包括电池监控系统和保护系统，在电池高效安全传输电能的同时保证电池的循环寿命。其主要任务是保证电池组安全高效地工作，提供行驶过程中所需的信息，在出现异常情况时及时报警，并根据不同行驶环境、电池状态及行驶需求来自动调节电池的充放电功率。电池管理系统通过传输装置与电动汽车的各个控制器连接，首先利用数据采集模块收集电池组的电压、电流和温度等数据，发送到主控模块，主控系统对数据进行分析处理，作出合理的程序控制和指令，对电池组进行调控，同时将数据实时发送到显示系统。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态评估、故障诊断报警、自动均衡和热管理［4-5］。

图1 电池管理系统示意图

市场上，商业化的电动汽车电池管理系统虽各不相同，但普遍存在以下不足。

1）有限的数据记录功能。这些数据可以用来建立和更新实时荷电状态（SOC）。

2）缺少健康状态（SOH）和使用寿命（SOL）的评估。二者是确保电动汽车的可靠行驶和电池定期维修的依据。

3）各电池管理系统之间不可替换。因为每个电池管理系统都有自己的算法和交流机制。

1 电动汽车电池管理系统的问题

锂离子电池由于电能密度高、循环寿命长、自放电性能低被广泛应用在电动汽车领域，然而其发展却很缓慢，这主要是归咎于以下3个方面：① 电池状态的评估；②电池组建模；③电池均衡。

1.1 电池状态的评估

电池状态评估不仅有助于判断电池运行环境的安全可靠，还反映了充放电信息。通常，电池状态包括荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）［6］。SOC类似于传统汽车的油表，但是它难以监测电池的充放电循环情况，因此其精度和纠错能力难以提高。SOH是指电池的健康状态，它包括2部分：容量和功率的变化情况。一般情况下，当容量衰减20%或者输出功率衰减25%时，电池的寿命就快结束了，但这并不是说车就不能开了。对于纯电动汽车（EV）来说，容量的估算要更重要，因为它与续航里程有直接关系，而功率限制只是在SOC较低的时候才重要。

1.2 电池组建模

由于锂离子电池复杂的电化学机制，很难建立电池模型。当前，根据不同材料的特性和多种等效电路来建立电池模型，以前通过Matlab设计电池模型进而评估SOC，但它是基于充放电过程中的内阻为常数来模拟的，所以其准确性仍有待改善。考虑到电池容量会随着充放电循环而不断损失，笔者建立了电池的衰减模型，模型里面的参数主要根据特定正负极材料的物理性能来确定，另外，外部因素（比如环境温度和放电过流）都将使得静态模型的准确率大大降低。

1.3 电池均衡

在电动汽车中，因为电池单元通过串、并联组装成电池组以满足高电压高容量的要求，所以总会出现不均衡的现象。在实际使用中，每个电池的输出电压和容量是不一样的。单个电池有过充和过放的限制，从而影响到整个电池组。为了降低这一影响，进而延长电池寿命，需建立电池均衡机制，确保所有电池的荷电状态基本一致。通常的方法一般分为2类：耗散型和非耗散型。这2种方法都可以实现电量调节甚至消除单个电池的不平衡电压。耗散型的平衡器是通过并联电阻促进过量的电能以热能的形式消散，而非耗散型的平衡器是利用转换器、感应器和电容器来进行多余能量的转移。电池间电荷交换使得充放电过程更加复杂，均衡技术依赖于SOC的准确性，所以SOC是BMS中最重要的参数，没有精确的SOC数据，将无法使BMS正常工作［7］。

2 本文提出的电池管理系统BMS

通过全面的评价，鉴别了目前BMS的缺陷。为了解决这些缺陷，笔者认为一个全面且成熟的BMS应该有如图2所示的基本组件。

图2 BMS的软硬件模块

2.1 硬件

电池管理系统很早就引用了安全电路，但因笔者提出的BMS有更多的传感器，现有安全电路的设计要加以改进，例如加入防止过度充放电、过热的精确报警模块等。

传感器系统包括用于监测电压、温度、电流等电池参数的多个传感器。一些研究者建议采用EIS来监视内部阻抗，但实验室环境外的空间和成本因素限制了它的可行性。因此为了改进对现实生活中电池状态的监测，笔者只测量电流、电压和温度。

数据获取（DAQ）和存储是BMS软件的重要组成部分，通过分析这些数据来建立一个用于系统建模的数据库。

电量控制子系统用于管理充放电协议。电池经常会用常电流（CC）或常电压（CV）充电，因而要有稳压器和稳流器，同时也需要可变电阻来平衡电池或测量内部阻抗。电池平衡控制是设计重心，在平衡电池组和高效估计电池状态方面它依然有改进的空间。

大部分BMS的子系统都是独立的模块，因此BMS内数据传输是必须的，CAN总线是BMS内部的主要通信方式。随着智能电池的发展，越来越多的数据能被收集来展示给用户，或通过电池内的微芯片传递给充电器。除此之外，无线和远程通信也逐渐被充电系统用于电池和充电器间的通信。

电池必须在合适的温度条件下运行。发热管理模块非常重要，因为温度会影响电池平衡、可靠性和性能。

2.2 软件

软件是整个BMS的中心，因为它控制所有硬件的运行，并且利用传感器数据来作出决策和状态估计。开关控制，传感器系统的采样率监视，电池平衡控制，甚至动态安全电路的设计都需要BMS的软件。另外，不间断地更新和控制电池需要实时的数据处理和分析，可靠的自动数据分析是成功的关键。因为状态估计和错误检测都是通过分析来完成的。这些信息都会通过一个友好的界面来展示给用户并给出合理的建议。

BMS软件的具体功能如下：①SOC和SOH的确定会被整合于能量评估中。能量评估也能显示电池寿命并利用模糊逻辑、神经网络、状态空间模型等先进的算法设定使用限制［8］。②电池平衡的目标是在避免过充过放的情况下最大发挥电池性能。自然的办法是让电池的SOC级别尽量接近。控制器包含全面的策略，利用每个电池的SOC控制充电过程。因此，准确估计每个电池的SOC是提高平衡性的基础。③大多数软错误会被实时数据处理发现。需要数据处理系统来分析，进而提供电池错误警告并指出超过极限的状况。通过记录历史数据来分析错误发生前的状况［9］。④用户界面用来向用户展示BMS的必要信息。在仪表板上显示SOC、工作电流、工作电压等。另外，根据SOH、SOL给出用户异常警告和更换建议。

3 BMS的挑战与解决方法

当前BMS仍然处于不成熟的状态，即使最先进的算法和控制方法，BMS的可靠性仍然遭到终端用户的质疑。因此在未来的发展中，要做到实验与实际相结合。研究大量的实验方法去评估锂离子电池组的性能，却基本上难以达到硬件的要求，比如阻抗的测量，成本高且无可行性。与此同时，实验室无法模拟真实环境，中央处理器也有很高的计算复杂度。所以，必须在高性能和可行性间找到可行的方法。

3.1 环境温度变化的电池容量评估

根据特定的材料、环境条件和充放电循环来设计电池状态模型，在恒定的放电电压和温度下来评估电池状态。Ng［10］阐述了锂离子电池在不同放电电压和速率下的SOC模型，然而它是基于单变量分析，仍无法适用于实际。图3是在2个放电速率和温度下的电池容量变化情况，可以看出在相同放电速率下温度较大时电池容量明显较高，在相同温度下放电速率较大时电池容量明显较低。因此，多变量会增加评估电池状态的复杂性。

3.2 电池最大容量的评估

锂离子电池的最大容量决定了其性能和未来的使用寿命，当前的评估方法主要依据是完全放电测试，由以下公式计算

图3 18650型锂离子电池在不同温度和放电速率下的交替变化

可以看出，放电电流I为常数时，积分时间t越长，容量C越高。可是电池不会在恒定放电电流下被一直放电，也不会在截止电压处容量耗尽。在实际应用中，常见的是部分放电和多变的放电电流密度，所以评估锂离子电池的最大容量是个很大的挑战。由于每个电池都是交替进行充放电，所以每个单电池的充电和放电速度存在差异，这会导致差异在电池组上的扩散性分布。在放电过程中，电池组中电压低于平均值的电池会首先达到电压限值，从而阻碍其余单电池安全放电。对此，我们可以采用电荷移动方案（图4）使电池组在放电过程中实现平衡，通过电感耦合或电容性储存从电压高的电池取得能量，并将储存的电能传输到最弱的单电池，从而减慢最弱单电池达到放电电压限值的速度。

图4 电荷移动方案

3.3 通信机制

电池管理系统需要对大量数据进行及时可靠地传输以保证电池组正常运转，所以电池组要和电动汽车的内部模块有效连接。CAN总线是现代汽车中广泛采用的规格，其最大的优点是支持分布式控制和实时控制，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。通过CAN总线，锂离子电池可以将电流状态、使用历史和SOC数据等传输到电池管理控制器。然而，由于不同的制造商和应用程序使得通信机制很难统一。此外，无线技术也被发展用来汇总内部环境数据、连通电池和充电器，所以在这一过程中，数据传输的可靠性和抗干扰性至关重要。

预测和健康管理是一个有效的策略，通过管理传感器信号和处理电池状态的实时数据，可以使评估和预判输出合理的指令，传达给用户。由于电池内部电化学反应状态很难准确得到，所以应该考虑多变量因素，测量和收集电流、电压和温度，并开发精确的、可行性的电池模型。在电池的循环过程中，因环境多变，电池性能会衰减，所以必须及时在电池组中筛选出故障电池。

4 结论

锂离子电池作为电动汽车的最核心能源，其性能直接影响到电动汽车的稳定性，因此制造商们一直在寻求电池技术和电池管理技术的突破。本文讨论了电池管理系统的电池状态评估、电池模型和电池平衡，提出了电池管理系统的框架，以便解决当前电池管理系统的不足，依据不同的环境，应该开发不同的电池模型去优化电池管理系统。

［1］ Gold S. A PSPICE Macromodel for Lithium-Ion Batteries. In Proceedings of IEEE the Twelfth Annual Battery Conference on Applications and Advances， Long Beach，CA， USA， January 14-17， 1997：215-222.

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（编辑 凌 波）

The Application of Lithium-ion Battery Management System in Electric Vehicles

HUANG Ji-gang， LI Lin， XU Zhao-rui
（Nanhang Jincheng College， Nanjing 211156， China）

This paperdetailly introduces current problems in Lithium-ion battery management system and its monitoring methods， as well as possible solutions.

Lithium-ion battery management system； volume status； health status； working life status

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0005-04

2016-10-25 ；

2017-03-06

2016年江苏省高等学校大学生创新训练计划项目（201613655014Y）

黄继刚（1982-），男，江苏苏州人，讲师，主要研究方向为汽车电子控制、汽车故障诊断。