一文读懂电池的大脑BMS电池管理系统

2018-09-11  来自: 惠州精惠仪器设备有限公司 浏览次数:359

众所周知,纯电动汽车的动力输出依靠电池,而电池管理系统BMS(Battery Management System)则是其中的核心,负责控制电池的充电和放电以及实现电池状态估算等功能。如果说,把一台电动车比作人体的话,那么电池系统就是他的心脏,而BMS电池管理系统就是支配其身体运作的大脑。

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为什么要有BMS?

既然叫做电池管理系统,BMS的主要工作就是处理和车载电池有关的任务。尽管当前的电池制造工艺已经让各个电芯之间的差异化缩小,但是单节锂电池之间仍然存在者内阻、容量、电压等差异,所以在实际应用中,电池组内部各单体电池容易出现散热不均或过度充放电等现象。时间一长,这些处于不良工作状态下的电池就很可能提前损坏,电池组的整体寿命也就大大缩短。

不仅如此,电池处于严重过充电状态下还存在爆炸的危险,造成电池组损坏的同时还对使用者的人生安全造成威胁。因此,必须为电动汽车上的动力电池组配备一套具有针对性的电池管理系统(Battery Management System,BMS),从而对电池组进行有效的监控、保护、能量均衡和故障警报,进而提高整个动力电池组的工作效率和使用寿命。

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BMS的主要作用是什么?

一台电动车有上百块电芯,BMS是如何管理的?如果我们见到过,电池包的剖析图我们会看到内部具有上百块的电芯,如何管理这些密密麻麻的电芯系统呢?BMS系统的主要工作分成两大任务——对电池的检测和保证电池安全。

其中电池检测实现相对简单一些,主要是通过传感器收集电池在使用过程中的参数信息比如:温度、每一个电池单体的电压、电流,电池组的电压、电流等。这些数据在之后的电池组管理中起到至关重要的作用,可以说如果没有这些电池状态的数据作为支撑,电池的系统管理就无从谈起。

如果我们把对电池的检测流程,看成对电池“体检”的话,那么这种“体检”是在线的、持续的、不间断的。过程中当发现数据异常时,可及时查询对应电池状况,并挑选出有问题的电池,从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。当电池的“体检”结束之后,会进入分析、诊断、计算的阶段,之后生成“体检报告”,这个过程可以理解为电池的状态评估。

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什么是SOC?

如果你开过电动车,那么肯定会在仪表盘上见到SOC的标识,这又是什么意思呢?SOC即State of Charge,是电池组的荷电状态简称,我们更习惯叫它电池剩余电量。SOC是判断电池过充及过放等一系列故障的基础,精确的估算SOC,可防止电池过充和过放,延长电池的使用寿命,从而提高电池的利用率。

其实,除了SOC估算,还有SOH(State of Health),SOP(State of Power),用户可通过车上仪表显示,看到这些数据,从而确认电池的工作、功能状态。据此,在保护电池的基础上,将潜力发挥极 大化,大大提升驾乘体验。

对于续航来说,SOC的精度很重要

SOC的算法一直是电池管理系统(BMS)开发应用的关键技术之一,它计算的准确与否直接影响到了,表显续航与实际续航的差值,如果计算不够精确的话,甚至会导致电池用尽车辆抛锚的情况出现。

关于电池状态的估算,需要经过一系列复杂的计算。即准确估计电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。SOC的估算精度高,对于相同量的电池,可以有更高的续航里程。所以,高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。

如今,国内电池的生产企业已经掌握了精确的核心算法,通过基于电池参数的估算方法,有效消除累积误差的影响,估算更精确。NCM估算(NCM即锂电池正极材料的缩写,即镍钴锰三元材料)精确度在3%,LFP(另一种锂离子电池的正极材料,称为锂铁磷)在5%左右。从数据方面看,国内的电池企业的技术标准已经达到国际水平。

电池与人员安全的守护神

BMS还有另一大核心功能,就是为电池组和人员提供安全保障。

众所周知,电池过充、过放会带来局部过热,影响电池寿命不说,严重时会威胁到电池组的安全,进而引发人身安全隐患。这时,BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能,一方面与整车、充电机实现通讯,另一方面实时提供电池状态,便于及时发出指令控制,有效防止高充、低放的发生。

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图中工程师在-30℃的极寒环境进行样车冬季测试


在保护电池的模块,均衡也是很重要的一环,是保护并提升电池寿命的必要手段。另外,电池的保护还包括过压、欠压、过温、过流等的保护。简单来说,当实际参数高于或低于某约定值时,系统将自动做出判断,并采取断开、预充等方式保护电池安全。

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工程师在采集数据,观测车辆在充电状态下的电流、电压、SOC的变化


在人身安全方面,BMS通过高压控制的手段来保护。电池高压可达300-500V,远超人体安全电压36V,风险隐患大,必须做好高压控制,常见的就是继电器、高压互锁、绝缘防护。周全的高压防护控制,可有效保护司机、乘客和维护人员的人身安全。

如何理解电池的安全等级

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国内的很多电池企业采用的是国际通用的ISO 26262评估标准。而ISO 26262标准又根据安全风险程度,划分由A到D的安全需求等级(Automotive Safety Integrity Level ,ASIL),其中D级为高等级,需要苛刻的安全需求。等级越高,对系统的安全性要求越高,为实现安全付出的代价越高,意味着硬件的诊断覆盖率越高,开发流程越严格,相应的开发成本增加、开发周期延长,技术要求越严格。

ASILD等级,失效率为10^-8/h,意味着1辆车假定每天运行4小时, 需要运行7万年才出现1次由BMS导致的功能性故障。而如此低概率的失效率,可媲美飞机运行时的要求。通常来说,汽车行业对零部件的要求是B或C等级。

目前国内的很多电池企业早已走出国门,为更多国际品牌提供产品和技术支持。这说明,国内的电池与BMS技术并不落后于日本和欧美,甚至在一些领域达到了世界先进水平。


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