解析电动汽车锂电池BMS系统

电动汽车的出现，是在全球变暖、环境污染和能源危机所推动的。2015年全球电动汽车生产量和出货量分别超过了50万辆的规模，其中中国超过了37万辆。电动汽车必须要有电能储存装置，目前锂离子电池是动力电池的首选和主流。锂离子电池在串联成组使用时存在过充、过放、过流、温度过高过低等问题，会造出锂离子电池的迅速损坏，因此需要电池管理系统进行管理。

锂离子电池指由正极、负极、隔膜、电解液四大主要材料和外壳制成的电池。其中正极和负极材料必须能够可逆的嵌入和脱嵌锂离子，隔膜必须是锂离子导通而电子绝缘，电解液必须是锂离子溶液。

通常正极材料里是一个过渡元素发生氧化还原反应，而金属锂和碳负极是金属锂发生氧化还原反应。充放电过程，锂离子在电池内部正负极之间来回转移，电池在外电路移动。有人形象地把这种锂离子转移过程成为摇椅，而将锂离子电池称为摇椅式电池。

图1 锂离子电池的工作过程图示

锂离子电池正极材料一般采用嵌锂过渡金属氧化物，如Ni、Co、Mn的嵌锂氧化物。负极材料则要选择电位尽可能接近金属锂的嵌锂化合物，如各种碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。

电解液普遍使用报告LiPF6的溶液，溶质为有机物，常用的有乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低密度二乙烯碳酸酯（DEC）等；隔膜主要由烯烃类聚合物制成多孔复合膜；外壳材料有钢、铝、塑料、铝塑膜等。锂离子电池典型的结构如下图：

图2 方形电池的典型结构

锂离子电池典型参数有：容量、内阻、电压；锂离子电池特性参数有：循环寿命、放电平台、自放电率、温度性能、储存性能等。锂离子电池安全测试有：过充、短路、针刺、跌落、浸水、低压、振动等。

锂离子电池比较娇贵，其充放电是一个多变量、非线性复杂的电化学过程，如果不能满足其充放电的条件要求，很容易出现寿命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件，因为锂离子电池对于温度、电压、电流等很敏感。

早期的电池管理系统有：德国1991年开始设计的BADICHEQ和BADICOaCH系统，美国通用汽车EV1使用的电池管理系统，美国AC Propulsion 公司开发的名为BatOPt的高性能电池管理系统。

国内最早主要是一些高校依托自己的科技优势联合一些大的汽车和电池生产商进行了一些研究工作，清华大学为EV-6568轻型电动客车配套了电池管理系统、同济大学和北京星恒合作开发了锂离子电池管理系统、春兰研究院开发了HEV-BMS系统、北京理工和北方交通大学等依托国家863计划电动汽车重大专项子课题，也开发了有特色的电池管理系统。随着电动汽车市场的启动，许多商业化的产品都获得了大批量的应用。

首先，要研究电池管理系统，一般研究单片机为核心，车载网络为分布系统。然后研究传感，因为需要检测电池的参数。一般检测电压、电流、温度。数据和控制的传输需网络来实现，一般用CAN网络。执行机构，通过显示屏、继电器、风扇、泵、电机等来实现。

图3 电池管理系统的硬件系统示意图

有了管理的实现系统，需要管理的运行系统。对电池的管理，分为放电、充电和静置三种过程。静置涉及到温度、安全的管理。充电涉及到充电参数的配置，充电过程的监控，充电过程的温度、电压、电流的保护。放电过程涉及到输出功率的管理，用电规划的管理，使用过程电压、电流、温度的管理。

充电放电静置都会需要参考同一个参数，就是剩余可用电量，也叫荷电状态（SOC，state of Charge）。锂离子电池的放电过程是很复杂的电化学过程，受到很多因素的影响，剩余电量的估算十分困难，困难主要来自如下几个方面：

一是电池的容量不固定，在完全相同的经历和状态参数下，电池的容量不是固定的；二是电池老化无法确定，电池的老化无法精确的随时标定，电池组内的分散程度也无法精确随时标定；三是使用过程的随机性。文献对于各种SOC的估算方法进行了介绍。

锂离子电池组在使用过程中，即使单节电池的性能再优越，单体之间也存在不一致，电池组在使用过程中也会使其特性产生变化，目前对电池组在使用过程中单体间出现分散性的现象，并无有效的解决办法，因此需要外部来解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题。

目前通用的均衡方法有耗能均衡，充电均衡和能量转移均衡。最典型使用最广的是耗能均衡，该方法利用发热电阻旁路分流，原理如下图：

图4 耗能均衡的原理示意图

充电均衡是在充电结束时，对每个单体电池单独使用一个小充电器将其充满电。能量转移均衡由于SOC测量的困难，虽然有很多的研发，还没有能进入实用的产品。

当然，电池管理系统做到这样还是不够的，电池在使用过程中温度会升高，温度过高锂离子电池就不能再继续使用，这是不希望出现的情况。因此，最初的电池管理系统又增加了散热管理的功能。再后来，发现低温环境下电池温度过低后充放电都无法继续进行，于是进行了加热管理。

电池使用范围的进一步扩大，电池安全问题增多，于是就有了安全管理的问题。最初的安全管理是监控，BMS将电池的数据发送到监控中心，监控中心根据数据来判断安全隐患。进一步发展到对BMS本身对安全做出预警。

电池在使用过程中总是需要维护、更换单体、做均衡等，这些工作需要诊断，如果BMS在需要之前就已经把诊断做好，数据准备好，那么相应的工作就会变得简单很多，于是电池管理系统又增加了故障诊断和报送的功能。

随着退役电池的增多，电池的梯次利用和循环使用又显示出问题来了，于梯次利用电池的配组需要进行大量的研究，BMS又承担起配组优化的管理功能。

电池研发的进步，也依赖于电池使用过程中发现的问题、现象，依靠实际使用过程的选择，于是电池管理系统又增加了电池技术选择的功能。

测量是电池管理基础，越来越精确，分辨率越来越高的技术应用于电池管理系统。SOC估算的研究也从一色的安时积分为基础发展到焦耳积分等其他方法。电池的管理功能越来越多，值得关注的是多级电池管理系统的兴起。

从主从结构，发展到每个独立置换单位能够具有完整的电池管理系统功能。在电池系统之外，整车电池管理，和后台服务器电池管理程序也在兴起。此外，值得关注的是，电池管理系统不再是被动地去保护电池，而是优化使用和使用环境。温度管理是优化使用环境，参数推演是优化使用。随着行业的发展，可以期待更多更好的电池管理技术和产品出现。