电池管理系统研究报告

目前在我国电池管理系统研发靠在前沿的公司主要有以下多家：
上海妙益电子科技发展有限公司。成立于2007年，2008年开始致力于电动汽车，储能基站等电源管理系统的研发，生产和销售，是国内技术领先，市场占有率高的电动汽车电池管理系统供应商。妙益BMS除了基本的单体电压，总电压，总电流，SOC基本功能外还能实现单体温度测量，能量可控均衡，语音报警，数据记录，远程控制，输出控制等功能。BMS电池管理系统凭借原有的车身总线系统设计经验，抗干扰能力强，性能稳定，在业界占领着极大的优势。
电池管理系统报告
报告人：王传进
日期Байду номын сангаас2016年2月
一BMS概况
BMS称为电动汽车动力电池的管理系统，与动力电池，整车控制系统共同构成了电动汽车三大核心技术。由于其在电动汽车的具有特有的重要性，越来越受到电动汽车产业内及国家政策层面的关注。锂电池应用于小型消费产品时，以单体电池的形式存在，而在电动自行车，电动摩托车，HEV（混合动力汽车）,PHEV（插电式混合动力车）,BEV（纯电动车）中应用时，其要求的容量也逐渐增大，需要通过串并联的形式组成电池组进行充放电。单体之间的性能差异，决定了都需要电池管理系统进行充放电管理，监控和保护，以避免单体电池出现损坏，影响整个电池性能。
国外电池管理系统比较有代表性的有：德国Mentzer Ulectronic Gmbh设计的BADICHUQ系统；美国通用设计的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统。
一.2.2国内电池管理系统研究现状
随着国家“863”项目的确立，电池管理系统已经成为我国科研人员研究的热点，并已经有多种管理系统问世，我国关于电池管理系统的研究是在学习国外已有的成果基础上的创新成果。国内研究重点放在SOC的确定，判断电池放电中止的方法和行车充电器的设计。
耗散型均衡通过指定电池组中的单体电池并联，在某个单体电池的电压出现偏高时自消耗放电，从而平衡电池组内各单体间容量差，达到均衡目的。
图二-1耗散型均衡充电法
图2-1所示，利用单体电池旁路电阻进行自动充放电实现电池间的均衡，电阻能耗与单体电压成正比，单体电压最高的能耗最多，不可控，效率低，能量损失大。
非能耗型均衡充电方法采用电容，电感作为储能元件，利用电源变换电路采取集中或分散式的结构，实现单向或双向充电。充电时，将电压较高的能量传递给电压较低的电池，或者将整组电池的能量补充到电池电压最低的单体电池，从而实现电池的均衡。这种能耗小，但控制难度大，电路结构复杂。目前，非能耗均衡电路主要包括续流电感均衡电路，开关电容均衡电路，逆变分压均衡电路等。
3)热平衡管理。环境温度对电池的性能产生很大的影响，高温低温对电池的容量都不利。美国研究这发现，Ni-MH电池在-22°C时还能够提供接近其设计容量的能量，但总电压下降9.2%，总电压波动40.2%，单体模块的最大最大充放电压与最下充放电电压相比，电压波动增加30.3%。SOC的波动引起总电压的降低对电池的性能和寿命有害。环境温度高于40°C，进行充放电，对电池的寿命产生不可恢复的致命影响。
电池的端电压测量，对单个电池电压的测量不是很难，关键是对电池组中串联在一起的单电池电压测量。
二.5电池的热管理
电池热描述电池生热，传热，散热的规律，能够实现计算电池的温度变化；不仅能够为电池热管理系统设计与优化提供先导，还能为电池电热性能提供依据。
电动汽车处于工作状态的电池组本身是热源。其散热环境由电池组的热管理系统提供，电池内部受热速率受工作电流，内阻和SOC等影响。电动汽车组的生热散热过程是一个典型的非稳态过程。热物性参热，生热速率和定解条件构成了电热模型的三要素。因此合理管理好电池的热性能是提高电池性能，延长电池寿命的重要因素。
其中测量方程 根据SOC，电流i，内阻R等因素与电池负载y之间的关系，建立数学模型。而后，在不同条件下，利用单脉冲，复合脉冲充放电实验，再通过最小二乘法对参数进行辨识。最后，利用辨识所得的测量方程模型，采用卡尔曼递推滤波法对SOC进行估算，并对SOC进行修正。
二.3电池的均衡管理
对电池组进行物理均衡充电控制方案，按均衡电路处理能量的可能流向分为单相均衡和双向均衡；均衡过程中电路对能量的耗散情况分类分为耗散型和非耗散型；按均衡电路方式分为被动均衡电路和主动均衡电路；按均衡电路的拓扑结构分为集中式均衡和分布式均衡，这些分类不是独立存在，而是相互交叉，相互依存。
目前市场上常见的管理系统中，被动均衡是最常见的均衡充电方法，称为电阻能耗式，属于耗能型均衡方式。其主要布局，每节电池都通过一个开关与一个功率电阻并联，串联中电池单元的电压值经过差分测量，通过电路被单片机测得。被动均衡的优点电路简单，成本较低，但其只能做充电均衡，同时，在充电均衡中，多余的能量以热量的形式释放，使得整个系统的效率低，功耗高。目前市场上提供的均衡方案基本是被动均衡。
其他还有如：新能源科技有限公司，东莞锯威新能源有限公司，宁波拜特测控技术有限公司，深圳市超思维电子股份有限公司，北京海博思科技有限公司，北京华盛源通科技有限公司等。从以上可看出，电池管理系统在我国的发展也是如火如荼，有些公司已经取得了不菲的成果，而且，在市场销售方面占有很大的份额。
二电池管理系统研究关键点
1)开路电压与安时积分相结合。根据开路电压法估算初始时刻SOC0，再通过安时积分法得到 ，再根据健康状况及温度修正SOC0与 得到 ， ，得到 时刻SOC即：
，Kt温度修正系数，Ki电流修正系数。
2)采用卡尔曼滤波法。首先建立电池的状态方程和测量方程，设 ，建立以电流为输入，SOC为状态变量的零阶保持采样离散状态方程：
现在常用的SOC估算法主要有放电试验法，开路电压法，安时积分法，负载电压法，内阻法，卡尔曼滤波法和人工神经网路络法。由于SOC受到多方面因素的综合影响，不能仅仅考虑使用某个因素而去估算SOC的值，这样将会使所测得值远离SOC的实际值，将会给监控状态带来隐患。
通过资料的查阅目前以有些研发人员采用的算法，以下2种为例说明：
目前基于电池管理系统的研究主要涉及的技术关键点有SOC的估算，单体电池的均衡管理，电池热管理，数据采集的正确采集。其框图如下所示：
图二-1关键技术点框图
二.2SOC的估算
SOC即电池的荷电状态，其计算表达式SOC ,SOC是动力电池必须实施监测的参数，SOC是决定动力电池能量流行和分配策略的重要依据，是确保动力电池安全运行的重要参数。在低SOC下的过放电及在高SOC下的过充电都会导致电池性能的下降，乃至造成安全事故。动力电池工作在充放电状态转换及其频繁的情况下，电流积分将产生较大的累积误差。电池的自放电，工作电流，工作温度等也影响到SOC的准确性。
深圳市科列技术有限公司。成立于2010年，公司专注于纯电动客车，混合动力客车，纯电动乘用车及纯电动特等车不同领域锂电池所需管理系统的研发和销售。其研发带有“主动均衡，无线传输”核心技术功能的BMS产品能够显著解决锂电池动力电池组不一致的问题，其“高压管理”技术达到国内绝缘监测等级最高，高达1000V母线漏电监测。
电池的温度是评估电池SOC和判断电池能否正常使用的关键性参数，电池的温度直接影响电池的充电效率，温度高，充电效率高，如果电池温度太高，可能造成电池的破坏。成组的使用电池，单体间的温度差异会造成充放电的不均衡，导致电池寿命降低，因此合理设计温度的采集是很重要的。
电流是电池容量估计的关键参数，对电流采集的精度，抗干扰能力，零飘，温飘和线性度误差的要求很高，电流采集的精度不够，会直接导致SOC的累积误差明显增大，对电池状态的监控带来误判。因此，要合理设计电流的采集是一项重要技术。
自1999年，北京交通大学开始电池管理系统的研发，形成不同车型的，不同结构的电池管理系统。2000年起，北京航空航天大学开始对电池系统的研发工作；北京理工大学为北方客车研制了以单片机为核心的铅酸电池管理系统；比亚迪生产的混合动力汽车采用了分布式管理系统，其电池管理系统能够对动力电池组的总电压，总电流，工作温度进行采集，根据采集的数据进行电池组的安全管理及热管理，并估算电池组的SOC；奇瑞汽车也采用分布式管理系统，电池组为多个电池摸组，使用CAN总线和远程采集数据模块进行通讯；长安汽车也为其混合动力汽车研制出了电池管理系统，包括控制电路板和采集电路板两个主要系统，实现对电流电压的采集，并能对单体电池进行热管理，故障诊断，报警等。
三电池管理系统的设计方案
目前电池管理系统主要实现的功能主要有：数据采集，数据显示，状态估计，热管理，数据通讯，安全管理，能量管理，故障诊断，其中能量管理包括电池电量均衡功能。其功能框图如下：
图三-1电池管理系统功能图
数据采集是电池管理系统的基础，需要采集电池组总电压，电流，电池模块电压和温度。电池模块估计包括SOC与SOH（电池健康状态）。目前只实现SOC的估算，SOH还不成熟。热管理根据热管理控制策略进行工作，使电池组工作再最佳的工作状态。数据通讯是电池管理系统与整车控制器，电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据的交换。安全管理指电池管理系统在电池组电压，电流，温度，SOC等出现不安全状态时及时报警并进行断路紧急处理。能量管理系统对电池充放电进行控制，对电池组内单体或模块进行电量均衡。故障诊断指及时发现电池组内出现故障的单体或模块。而电池管理系统的核心是由单片机来控制的。主要构成原理图如下3-2所示：
主动均衡，属于无耗能均衡方式，充电时，不把电压较高的电池能量通过电阻消耗掉，而是将其能量传递给电压较低的电池，或者将整组电池的能量补充到电池电压最低的单体电池，实现电池的均衡充电。主动均衡又分为集中式主动均衡和分散式主动均衡，集中式主动均衡是向整组电池获取能量，通过电能转换装置向能量少的电池补充能量；分散式主动均衡是在相邻电池间存在一个储能环节，储能元件可以是电感或电容，可以让能量在相邻电池之间流动，能量多可以将能量传递到能量少的电池。
一.1BMS发展背景
由于动力电池及储能电池市场的扩张，BMS的需求也快速扩大，目前国内外BMS已进入实际应用阶段，但研究不够成熟，性能不够理想。锂电池和BMS性能的提升，是电动汽车发展领域的关键问题，直接决定新能源汽车的推广。