我们对动力锂电池组的管理系统

第12届中国北京国际科技产业博览会节能、环保、新能源汽车技术及配套产品推介会报告稿
我们对动力锂电池组的管理系统（BMS）
的认识与看法
公司：深圳市安泰佳科技有限公司
作者：李金印
日期：2009年5月20日
我们对动力锂电池组的管理系统（BMS）认识与看法
（“科博会”报告稿）
一、概述
众所周知，锂电池作动力使用需十几节至几百节的大容量电池串联，其中一节电池若有问题，因安全原因整组电池则不能继续工作，故没有一个功能很强的管理系统是无法推广使用的。

但因种种原因，目前国内外市场上尚未见到能达到使用要求满意的产品，故影响锂电池作为动力能源的推广应用。

2006年春我们与国外某知名厂家作该产品的实际演示测试对比，结果该公司的产品远无法达到原订的使用指标要求，在事后交谈中他们也坦诚其无耐。

锂电池虽在特殊条件下有燃烧、爆炸不安全特性存在，但循环使用寿命应是为优的，可是目前国内影响其使用推广的关键问题是使用寿命太短，有的说“低于普通铅酸电池”。

如果真是这样，锂电池即危险又短命且价格贵，那还有什么推广价值。

我们认为此状况绝非仅是锂电池质量原因，而管理系统功能不完善、不准确及充电技术和充电设备不适应、不配套是关键因素，这也说明管理系统的重要性。

我们认为蓄电池中锂电池在目前是最有推广应用价值的，所以，自1999年至今我们投入了大量资金与人力，专门对动力锂电池的管理系统进行研究开发，先后用国内七家多批次电池做了大量的实验。

现将我们对管理系统BMS的认识作为意见提供讨论与参考。

二、管理系统BMS应能对每节电池的特征参数进行测算
这项工作确实是困难和复杂的，但应该去做，不了解怎能“管理”。

所以，国外对蓄电池机理研究的人至今还很多，他们也给出了一些非常复杂而又不完全相同的数学模型，但采用“类比原理”都可简化成大家熟知的相同“等效”电路
原理图。

而由“等效”电路原理图自然可得电池在充电和放电时下列常见的数学表达式。

充电V= u + I(R+r) + V C
放电V= u –I(R+r)- V C
式中R：为电池的电极结点和引线电阻，可认为是已知的常数。

r :为电池的内阻，它是电池的特性参数，同一电池它与其“新旧”和温度等因素有关，是变化量。

I：为通过电池的电流，是回路参数
V C：为电池的等效特性参数“容抗”的子回路的电位差，它与通电电流I大小、方向、变化规律及时间等因素有关。

在放电工作中经常V C＞I（R+r），不可忽视。

u ：为电池的特性参数，电动势。

V：为回路参数，电池两端的端电压。

上述关系式对研制管理系统者来说是很有指导意义的。

但是现技术只能测量回路参数V，I及时间t和温度T，对电池特性参数u、r及容抗皆无法直接测量，也不能由上式用V、I、t、T求得。

故现BMS产品，都几乎皆是将回路参数V代替电池特征参数u。

据上式可知：
1、当回路电流I=0，而且长时间为“o”的条件下，V=u
2、当涓充和潺流条件下I很小而且长时间很小时, V≈u
3、在充电、放电过程中，V和u的值差别很大
现BMS产品中皆有防过充、防过放的功能，这是电池特性的要求，而与电回路关系不大。

可是若以回路参数V代替电池特性参数u来判断过充或过放，必然会造成随I变化而判新不确定和充电充不满放电放不完大幅度缩短电池使用
寿命等恶果。

例如我们有一组10节串联的10Ah电池，新电池其内阻均为10m Ω左右，而循环用二十几次后，其中有一节变为68mΩ，而其他参数变化不大。

这组电池虽然有点问题但与容量无关，不影响使用。

可是若用一般的BMS来“管理”，此组电池早被误判为寿命终止了。

三、应有适应动力锂电组需求的充电方法和充电器
铅酸电池的充电方法和充电器不适用于动力锂电池组，虽然几乎己为共识，但现实也几乎都还是用铅酸电池的充电方法和充电器，来对动力锂电池充电。

不过也有些单位在研究动力锂电池的充电方法和充电器，并取得可喜成绩。

我们的做法是：充电程序存于BMS的软件中，充电器工作完全由BMS指挥控制。

充电过程中BMS据已测知的各节电池的即时参数，按安全第一、寿命优先的原则，即时检查电池组中是否有需改变充电电流的电池。

若有，则据该节电池需要自动调整充电器的输出电流。

这样充电彻底改变了电池与充电器之间“谁服从谁”的问题，彻底避免了因充电不当而影响电池寿命甚至造成恶性事故现象。

但这乃是串联充电方式，必然存在各节电池充电结果不一致的通病。

对此我们也研究过多种解决办法，其中较好的办法是“均衡”。

四、大电流充放电双向均衡
对动力锂电池组来说，任何小电流均衡或大电流只做充电均衡而放电不均衡，皆无实际使用意义。

若大电流且充放电都均衡，使电池组充电每节电池皆充满而又无过充，放电每节电池都放完而又无过放，才能达到提高续行距离，延长循环使用寿命的目的。

不过因技术原因，国内外现尚未见有能用的大电流充放双向均衡的产品，前面提到与国外某公司现场比的一事，就是比大电流均衡功能。

我们的均衡电流一般设计在0.2c～0.3c之间，接近充电电流。

这样的均衡
器与我们的充电器配合，由BMS统一指挥，在不增加充电时间的基础上，做到了充电不会发生过充而又都充满的结果，各节之间误差小于±30mv。

充电大电流均衡时应避免出现被均衡电池处在放电状态，而放电被均衡时应避免被均衡电池处在充电状态。

否则被均衡的单节电池，相当于循环使用一次。

一般来说需放电均衡的单节电池往往每个循环皆需均衡，而且一个循环放电工作中又可能还要多次均衡，故要做到上述要求是必要的，这样则要求BMS应有很强的跟踪和控制功能。

大电流均衡器造价成本比较高，但它可使电池组循环使用寿命延长3至5倍之多，则电池的使用成本将大幅下降。

同时将用电设备的故障率大幅降低，而性能大幅提高，何乐而不为。

五、管理系统BMS工作应准确可靠
若BMS工作不可靠，造成的恶果是不言而谕的。

因BMS工作环境中干扰源较多且干扰强度大，应充分注意。

不过解决干扰问题在技术上并不难。

在硬件和软件上综合解决，确保采集的数据可靠准确是能做到的，也是必需做到的，这是BMS工作可靠的基础。

这里想强调说明是软件设计质量对管理系统工作的可靠性特别重要。

诸如选用数学模型的准确性、电池性能了解的程度、程序设计的质量、程序运行的可靠性等等。

六、管理系统对各类故障应有检测和处理功能
动力锂电池的安全使用是管理系统的重要任务。

而影响使用安全的因素除电池本身而外，还有充电器、用电器及管理系和环境条件等。

因此对使用电池安全的管理，绝不是一般做的“防短路、防高温、防反接、防过充、防过放”那么简单，更何况前面已讲过那些所谓防过充、防过放的做法本身就有问题。

1、要即时检查充电器工作是否正常。

若遇异常，BMS应给出正确处理指令，通过充电器中的执行器件作出即时而必要的处理，同时充电回路的工作状态也应作相应调正。

2、对电池组使用除要控制工作参数符合电池特性要求外，还该即时检查电池组中是否有某些已坏不能再用的或可能很快会坏的电池，并对这些电池采取适当处理措施，从而避免恶性事故发生。

我们是用电池本身的特征参数多方面综合判断的，实测效果很好，但由于电池损坏情况很难模拟，故实验深感不足。

3、管理系统的自检是非常必要的。

除在硬件设计时应充分考虑即使其器件损坏，也不会影响电池安全之外，管理系统对其软硬件皆应能自检，并能有效处理。

确保不会因管理系统有问题而使如车辆等用电设备发生故障，甚至导致电池损坏或发生恶性事故。

七、智能管理及通讯功能
“智能”的含意很广，其实前面讲的如充电、均衡、故障检测及处理等皆可归为“智能”范畴。

但这里讲的智能主要是指操作“智能”。

我们管理系统工作时，无论是充电、放电、电池检查皆是一键式，即同一按键一次操作。

系统自动识别工作内容及工作是否结束，当判定工作已结束时则自动切断电源包括自身的供电电源。

这是容易实现的不多说了。

下面着重介绍信息通讯功能。

动力锂电池组管理系统，它是管好、用好电池的一个部件，但要“尽职”真正管好用好电池，前面已提及对电池和相关的充电放电设备甚至环境都有大量信息数据需要采集、交换及处理。

同时管理系统也必然与设备的“操作总台”有大量的即时信息交换，所以管理系统应具备可靠的信息通讯和处理能力。

八：结束语
我们投入了大量人力物力，埋头十年，专题开发动力锂电池的管理系统。

虽
然取得一些突破性的结果，但越深入越知其难，还有不少问题有待深入解决。

我们完全理解为什么国外有些著名研究单位现在还设立此类研究课题，也完全理解国外为什么管理系统价格比电池贵。

我常与我们的年青人讲：“我这一辈子搞不完，也够你们一辈子搞的”。

市场是广阔的，我希望同行的有志者共同深入进去，继续努力，为高性能的电动车能尽快普及而做一份有意义的工作。

李金印
2009年5月。