动力锂离子电池管理系统的设计和应用——评《新能源技术与电源管理》

动力锂离子电池管理系统的设计和应用——评《新能源技术

与电源管理》

摘要：锂离子电池具有储存电能较多、电压较高、寿命较长、便携及环境适应

性强等特点，优于镍镉电池、铅酸电池等电池。方便携带的特点，推动了锂离子

电池应用范围的扩大，从最初的手机、照相机和笔记本电脑等移动终端设备，到

当今的电动汽车、航空航天电源及医疗设备等领域。锂离子电池的使用满足了人

类对电池多样化、便捷化的需求。近年来，动力电池技术飞速发展并逐步成熟，

在锂离子电池组储能和供能过程中，需使用电池管理系统(BMS)对工作状态进行

监测和能量管理。锂离子电池组对安全性要求高、工况复杂，应用过程中的能量

控制管理和荷电状态(SOC)估算成为研究热点。

关键词：锂离子电池管;?设计;?《新能源技术与电源管理》;?

一书由西南科技大学新能源测控研究团队完成，主要参编人员有王顺利、于

春梅、毕效辉和李小霞等，从新能源测控与电源管理的角度，结合新能源汽车等

对动力锂离子电池的技术要求，以锂离子电池应用与电源管理为出发点，对新能

源测控与电源管理进行理解和经验总结，对动力锂离子电池管理系统的设计、匹

配和应用提供一些技术方面的参考。

1《新能源技术与电源管理》一书共有十个章

第一章为锂离子电池与管理系统概述，简述了锂离子电池的特点、优势、工

作原理，并简单介绍了锂离子电池与管理系统。第二章为BMS参数测量与控制策略，主要介绍了电池关键参数的测量、锂离子电池安全保护、锂离子电池组的热

管理和常规充电管理等要素。第三章为锂离子电池的状态测定与评价，即对锂离

子电池的容量、内阻测定与电池健康状态等进行评价。第四章为锂离子电池的等

效建模及参数辨识，主要介绍了锂离子电池的常用等效模型，如Thevenin模型、

新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)模型及二阶等效模型等常用等效模型，还有相关

的参数辨识。第五章为锂离子电池SOC估算方法，介绍了开路电压法、安时积分法、粒子滤波法和卡尔曼滤波法等多种SOC估算方法。第六章为锂离子电池SOC

估算设计实例，从静态和动态角度介绍了SOC估算设计实例。第七章为电池组的

均衡控制管理，主要介绍了均衡调节的意义，电池组的均衡管理分类及均衡能量

的转移策略。第八章为BMS中的控制器局域网(CAN)通信技术，主要介绍了CAN

通信技术及研究现状。第九章为BMS集成电路与设计实例，主要介绍了多种

BMS集成电路与设计的实例。第十章为锂离子电池性能测试与BMS故障诊断，

主要介绍了单体电池与电池组的性能测试、BMS性能测试与故障排除。

2依照《新能源技术与电源管理》一书所述

锂离子电池的应用广泛，但在使用过程中会面临过充、过放或过热等安全及

使用问题。各种安全隐患的存在，导致锂离子电池组在使用不当的情况下，有可

能失常，甚至会引发电池发热或爆炸。为了获得更高效安全的使用体验，提高电

池组的能量利用率并延长使用寿命，需要针对锂离子电池组设计一套完善的BMS。早期的锂离子电池用BMS较为简单，呈现的功能也不够完善，一般只具有监测电池电压、温度和电流及进行简单保护的功能。随着动力锂离子电池越来越多地被

应用于如电动汽车这样的大功率设备中，人们对动力锂离子电池用BMS的要求越来越高，需要的功能也越来越强。一般认为，动力锂离子电池用BMS应具有以下几个基本功能:对电池组外部进行参数检测，判断电池组的状况并对剩余电量进行

估算，控制电池组的充放电，均衡电池电量，提供与外部设备通信。

目前，电池外部参数的检测技术已日趋成熟，而动力锂离子电池用BMS的研

究重点是对电池组的剩余电量进行估计的同时，均衡电池组。一个完整的BMS需要包含多个模块，如数据采集、工作状态估计、均衡充放电管理和电路保护等。

一个完整的BMS需要实现电池SOC的实时在线准确计算、电池组均衡充放电过

程中的准确控制，并保证使用的安全，保障电池单体及电池组数据采集的准确性，保证BMS硬件的稳定性，同时还需考虑系统硬件和软件的抗干扰设计，以实现鲁棒性。

从《新能源技术与电源管理》一书的内容可以看出，结合自动管控设备，从

安全角度对动力锂离子电池用BMS进行设计，具体设计方案包括电池电路保护设计、电池均衡保护设计和电池模组的热管理设计等。动力锂离子电池在电路保护

设计上，需要考虑到过充电保护、过放电保护及过电流短路保护。首先，在过充

电保护上，BMS需要对充电时的电量进行控制，特别是要实现对单只电池的电量

限制和对总体电量的控制。在对单只电池进行充电时，如果充电时的电压高出规

定值，就会导致动力锂离子电池的整体结构不稳定，电池中的电解液就会发生快

速分解。在设计BMS要参考锂离子电池的特点。在涉及过充电保护系统时，BMS

的保护作用就是在单只电池电压超过规定值后，实现终端的自动充电并自动切换

到放电模式。过度放电会导致动力锂离子电池电量亏损，寿命缩短，造成环境污

染与资源的浪费，甚至对使用者的人身安全造成威胁。在过放电保护方面，设计BMS时就应当设定一个具有参考意义与实用意义的标准值，在锂离子电池放电超

过该值时，保护系统需要启动保护措施，进行放电保护，或是进入电池待机模式，或是结合相关的自动化设备进行充电，以保护锂离子电池。动力锂离子电池保护

系统的设计还要考虑到过电流短路的保护。锂离子电池在工作时会发生一系列复

杂的化学反应或物理变化，如果对电流的控制不够严密，稍有不慎就会引发电池

内部的损坏，轻则缩短电池的使用寿命或造成外部设备的损坏，重则影响人身安

全并造成重大损失，因此，动力锂离子电池保护系统的设计需要考虑过电流短路

保护，确保电流的稳定性。除动力锂离子电池的电路保护系统外，BMS还需设计

电池均衡保护系统。一个动力锂离子电池的电池组包含有多只电池，少则数个，

多则数百个。这些电池之间，即使是同等规格、同批次的，多少都会有极其细微

的差别。在这样的背景下，如果锂离子电池处于过放电状态，不同电池内部的电压、电阻和电容等参数都会存在有一定的差异。差异一旦扩大，就会导致动力锂

离子电池组在工作时出现不稳定状态。为了满足锂离子电池组整体能量的平衡性

与协调性，需要在涉及动力锂离子电池用BMS时考虑到电池均衡保护系统。动力锂离子电池用BMS应该具有均衡功能，通过针对不同电池组(数量根据系统匹配，常见的为1～99只)电池芯的状态检测，以继电器为切换元件，实现不同电池组的能量平衡和转移。

3《新能源技术与电源管理》一书介绍了动力锂离子电池用BMS的发展趋势首先，随着锂离子电池的大规模使用，电池组对串联的电池数量要求会越来

越高，串联的电池数量的增加会增加BMS的复杂度，因此，动力锂离子电池用BMS将会向高度集成化方向发展，从而降低管理难度。其次，BMS的均衡方式将

会向非耗能式均衡变化，减少均衡时间，提高均衡效率，采取更加智能的均衡策略，使均衡更加精确。第三，电池组将会采用分布式模块化设计，可以级联且方

便扩展，从而构成大型的锂离子电池组。第四，在动力锂离子电池用BMS中，电池组过充、过放保护还应考虑内阻的因素，而不仅仅考虑单体电池端的电压，使