电动汽车动力电池BMS探讨及方案

电动汽车动力电池BMS探讨及方案今年来随着我国汽车工业及汽车运用市场的高速发展，对节能与环保要求越 来越高，新能源汽车已被列为我国汽车行业今后 5 年发展的重中之重，新能源汽 车产业也被列为国家 7 个战略性新兴产业之一。预计到 2020 年，新能源汽车累 计产销量达到 500 万辆。因此，需要有更多的学生从事新能源汽车的涉及、制造、 销售、运用、维护等工作，掌握新能源汽车构造已是必然。故，我校组织同学进 行对新能源汽车进行自主探讨。我们小组的任务是电动汽车动力电池及bms方案 的探讨！报告如下：第一部分：电动汽车动力电池现在的新能源汽车电池主要可分为四种，分别为：铅酸电池、镍氢电池、锂 电池、燃料电池。一、四种电池的特点及现如今的在新能源届的地位。（1）铅酸电池 铅酸电池作为比较成熟的技术，因其成本较低，而且能够高倍率放电，依然是唯一可供大批量生产的电动车用电池。北京奥运会时，有 20辆使用铅酸电池 的电动汽车，为奥运会提供交通服务。但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密 度都很低，以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程。主要的生产厂家有江苏光明蓄电池有限公司、无锡市新升蓄电池有限公司、 福建冠宇电源有限公司、宣城超越电源有限公司、上海复鑫电源科技有限公司、 宜兴市千里猫皇进出口有限公司等。（2）镍氢电池 虽然性能好于铅酸电池，但含有重金属，使用遗弃后对环境会造成污染。镍氢电池现主要应用于混合电动车。2011 年 HEV 市场占 56%，零售市场（包括遥控 车、玩具、家用电器、数码摄像机）占 24%，无绳电话占 11%，其他市场为9%。 世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的 95%以上。全球镍氢电 池 70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、 科力远、力可兴、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、 三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。hev用大型镍氢电池主要在日本生产， 生产企业主要为Primear th电动车能源公司（PEVE）和三洋电机，由于松下和三 洋合并，而松下的湘南工厂卖给了中国科力远。因此，大型镍氢电池已主要由松 下生产。（ 3 ）锂电池 传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车 上作为动力电池则存在较大的问题。目前，越来越多的汽车厂家选择采用锂电池 作为新能源汽车的动力电池。当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力锂电池汽车，如美国福特、克 莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国 Courreges、Ventury 等。而 国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动 力和纯电动汽车中搭载动力锂电池。锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽， 工作电压平稳、贮存寿命长（相对其他的蓄电池）。从安全性来讲，锂离子电池要 比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很 大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击（压）等滥用实验（ABUSE TEST）,均 无危险发生。锂离子电池与Cd-Ni, MH-Ni电池一样，可以快速充电，且无记忆 效应，远比Cd-Ni电池优越;它的自放电率远比MH-Ni电池低。当然，锂离子电 池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格也比较高等。（4）燃料电池简单地说，燃料电池（FuelCel l）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直 接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出 来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电” 而是一个“发电厂”。目前国内燃料电池的生产厂商有北京金能燃料电池有限公司、北京飞驰绿能 电源技术有限责任公司、大连新源动力股份有限公司、江苏华源氢能科技发展有 限公司等。二、电池的比较:电誕粪型能量（V- h/kg）f功率（Ae）能量密度（ h/L睛环寿命（ifc）铅酸电舱谨13090500猱镉电舱5517094BOO猱氢电池802251431000锂离孑电池100180珈1300璘酸铁锂电池12090210aooo燃料电徂作为电动汽车最;叫图为新也是最佳的新能源电池性车用蓄电池选:能比较 择锂离子电池1相对于镍氢电池与铅酸电池有以下十个优点:1）锂离子电池单体标称电压高达3.6V,是镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2 倍。2）锂离子电池重量轻，比能量大，高达150W. h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸 电池的 4 倍，因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，这个特点 是锂离子电池作为车用动力蓄电池的一个十分大的优势。3）锂离子电池体积小，高达400Wh / L,因此体积是相同能量的铅酸电池的二 分之一到三分之一，提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件，设计空间 和可能性，为电动汽车合理高效的整车布置保证。4）锂离子电池循环寿命长，循环次数可达 1000 次，以容量保持60%计算，电池 组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达35年，寿命约为 铅酸电池的两到三倍。5）锂离子电池自放电率低，每月不到 5%，是镍氢电池的六分之一。6）锂离子电池允许工作温度宽，低温性能好，锂离子电池可在一 2055C之间 工作。7）锂离子电池无记忆效应，而镍氢电池有轻微的记忆效应。所以锂离子电池每 次充电前不必像镍氢电池一样需要放电，可以随时随地进行充电。电池充放电深 度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放。8）锂离子电池中基本不存在有毒物质，无污染，比铅酸电池绿色环保。9）锂离子动力电池的主要材料锂（Li）、锰（Mn）、铁（Fe）、钒（V）等在我国都 是富产资源，为锂电汽车提供了材料保证，也对成本的控制起到相当大的作用。10）我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的产业链锂 离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟。三、新能源汽车电池发展趋势：盖世汽车网认为：在发展新能源汽车上，镍氢电池技术最成熟，未来 3 年内 仍将是新能源车的主流，之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下， 5 年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。第二部分：电池管理系统 BMS一、技术背景电池作为动力来源，必须串联使用才能达到电压要求，而多个电池串联使用 一段时间后，电池内阻和电压产生波动，单体电池的状态差异会逐渐显现出来， 不断循环的充放电过程加剧了单体电池之间的不一致性。电池成组后，大功率充 放电时，电池组发热，在电池模块内形成一定的温度梯度，使各单体电池工作时 环境温度不一致，将削弱单体电池间的一致性，降低电池组充放电能力。例如， 磷酸铁锂电池的单体电芯循环寿命可以达到 3000 次以上，然而成组后，由于各 种原因导致的不一致性，整体循环寿命很难达到 2000 次。此外，大规模储电系统中电池成本约占总成本的一半。串联成组的电池系统， 只要其中一节失效，如不及时发现，整串电池都会跟着报废。损失的不仅仅是昂 贵的电池，由于电池状态不确定性造成的系统瘫痪、数据丢失，后果不堪设想。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效地管理 和控制。电池管理系统对电池组的使用过程进行管理，对电池组中各单体电池的 状态进行监控，可以维持电池组中单体电池的状态一致性，避免电池状态差异造 成电池组性能的衰减和安全性问题。电动汽车用电池集成系统对电池的管理提出 了更高的要求：电源及动力系统的集总分布式、层次化，模块，从而提高电池集成系统的寿命电池的温度检测和热管理电池的健康状况和剩余电量的估算和显示在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电 池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和 荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技 术含量动力总成技术就是在保证电池在安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保 证电池的性能，提高电池的寿命高可靠的通讯协议二、技术原理电池管理系统实行两级控制架构：针对电芯的电池管理单元（BMU）和针对 电池模块的集中管理单元（CMU）。BMU负责电池模块内电芯级别的控制，包括电芯电压和温度信号监控、均衡 控制、荷电状态（SOC）估算、电池健康状态（SOH）估算和热管理控制。电芯状 态数据通过CAN总线传输到CMU。CMU负责模块级别的控制，包括系统继电器的控制、告警信号输出、与外部 设备的输入输出。CMU汇总串联电池组中所有电芯的状态信息，包括电压、电流、 温度、SOC、SOH，经触摸屏显示，或通过RS485与PC计算机通讯，用于系统配 置和故障诊断。CMU与BMU和外部设备之间均通过CAN总线通讯，提高系统的可 靠性。图1电池管理系统结构示意图三、技术特点1采用分布式测量方式，通过滤波电路和软件算法，提高采样精度。采用分 布式测量的方式实现电压、温度等物理量的精确测量。每个BMU可以同时监控6、 8或12个串联电芯的电压、温度、内阻等信号。温度监测点可扩展到16个，包括 电芯的极耳温度、电路板功率器件的温度和电池模块中的空气温度。CMU检测串 联电池组的电流信号。通过滤波电路和软件算法等，提高采集精度，为后续工作 提供精确数据。窟ix黑*播块图2信号采集结构图 电世包2米用全程动态均衡方式，提高均衡效率，缩短均衡时间，减少能量损耗。 以单体电池为均衡单元，在充放电过程中都能够实现均衡功能，最大均衡电流为 3A。此种均衡方案与常用的被动式均衡方案相比，热损耗小，能量转换效率高。 多个电池可同时均衡，提高了均衡速度，缩短了均衡时间。并且突破传统的均衡 控制策略，实现以单体电池为单元的均衡控制，解决目前电池模块内部各串联单 体电池之间均衡容易实现而电池模块之间均衡困难的问题。111 IU 11111911 Bl 111 IIIH laUlijj 2ijj Suu -1 CijKiuM/min5 4 S 2 1 2 口-s s s s S 1图30.2C充电时电压变化趋势（未均衡）图40.2C充电时电压变化趋势（均衡）3. 采用控制策略与强制风冷相结合的电池组热管理技术，显著提高电池散热 效果。研究电池温度特性和电池单体的热参数，通过控制策略，使每个电池单体、 电池包、储能单元处于相对均匀及安全的热环境中，保证系统的安全及有利于发 挥电池体系的最佳性能。4. 采用实时校正的SOC估算方法，有效提高SOC估算精度。采用综合考虑电 池内阻、温度、循环寿命等因素对SOC估算结果的影响的方法，建立多种算法相 结合的SOC估算模型，提高SOC估算精度。并根据能量供需关系建立SOC短期预 测，对估算过程进行全程动态校正，进一步提高估算精度。3ill44;图5不同倍率下电池放电曲线四、技术分布图6电池电压与SOC对应曲线1）驱动电池的充放电控制系统该技术方向可进一步分为充电装置（占46%）、分布式控制（占20%）和充电 平衡控制和稳压（占 34%）三个子方向。在充电平衡控制和稳压技术子方向，技术方案多体现在旁路电路设计方面， 而我国电动汽车行业在这些方面并无明显优势。分布式控制技术方向是近年新兴的研发方向，其难点在于控制的稳定性和实 现成本。我国目前具有较低的人力资源成本和生产成本，因此如果在这个方向上有所突破，必能在电动汽车电池管理系统领域中做出相当的成绩。2）充电方法该技术方向可进一步分为根据电池端电压的值判断充电进程的方法（占 62%）和其他方法（占 38%）两个子方向。电池充电方法的领军企业以日本 SONY、TOYOTA 等公司为代表。由于电池充 电方法研发成本高、周期长。根据电池端电压的值判断充电进程的方法是目前最成熟、最可靠的方法。我 国南客、比亚迪等公司在此方向具有一定的实力。目前，该方向的研究趋向边缘 化，即趋向于对现有技术的细节做出种种改进。其他方向一般是出于另辟蹊径考 虑而做出的，这些非主流的技术方向目前距离大面积推广应用还存在相当差距， 有些甚至仍然停留在实验室环境中。（3）充放电安全保护该技术方向进一步分为通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向（占 56%）和依据非电压参数方法方向（占 44%）两个子方向。通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向在技术思路上是成熟的。 依据非电压参数方法方向发展很快，技术方案繁杂。（4）电池控制系统及方法该技术方向进一步分为侧重控制原理的技术方案（占 62%）、侧重对电路结 构和系统组成方面的技术方案（占 38%）两个子方向。电池控制系统及方法主要涉及对电动汽车电池的电性参数（例如电压、电流 等）、环境参数（例如温度）和剩余电量（SOC）等参数进行控制，以保证电动汽 车的正常供电、稳定供电或优化供电。侧重控制原理的技术方案的专利数量小于 侧重对电路结构和系统组成方面的技术方案的专利数量，这正说明了从原理到真 正实施这一过程需要付出巨大劳动和成本。（ 5）电池放电方法和装置电池放电方法和装置在电动汽车中保证电池能够被有效地充电和健康地使 用。由于我国目前电动汽车电池技术发展速度限制了电池放电技术的试验和实 施，电池管理系统的研发生产者如果不具备自行或联合研发电动汽车电池的技术 实力，暂缓对这一技术方向的投入。（ 6 ）电池管理系统的异常与报警电池管理系统的异常与报警是电动汽车消费者直接接触的一个环节。这个环 节所需要的技术并不复杂，完全可以借鉴其他电子产品的异常和报警处理方案。 因此，不论是以前还是将来，这一技术方向都不会成为具有竞争力的研发或生产 方向。（ 7 ）电池管理系统通信技术该技术方向进一步分为 CAN 总线（占 65%）和其他总线（占 35%）两个子方 向。目前，电池管理系统通信技术是电池管理系统内部各组件之间、电池管理系 统与电动汽车其他控制和监测单元之间进行交互的重要媒介。可以预见，随着通 信技术的日益发展，电池管理系统通信技术在电动汽车电池管理系统的应用中是 大有可为的。（ 8）对电池状态进行监控技术分为对单一电池参数的监控（占21%）、对多个电池参数的监控（占9%）、剩 余容量估计（SOC估计）（占33%）、SOH/异常状态与SOF （占10%）、对电池输出 功率或能量的监控（占 13%）以及电池的其他指标（占 14%）六个子方向。对电池状态进行监控的技术是整个电动汽车电池管理系统的核心技术。电动 汽车电池状态一般包括有电压、电流、温度、功率、剩余容量等，对这些状态参 数的快速、准确地监测和控制是衡量电动汽车电池管理系统研发生产者实力的最 直接的指标。其中，剩余容量估计技术占绝对主流，研发热情也最高。在剩余容量估计技术分支中，又包括基于测量得到的电池参数计算电池 SOC 和基于电池模型或状态函数计算电池 SOC 两个子方向。在电池的其他指标技术分支中，又包括对温度的监控方向以及寿命、老化程 度判断两个子方向。（9）在电池管理系统中对电池进行测试这一技术方向主要对电池参数（例如电压、电流、温度和内阻）等进行在线 监测，并给出专业性的结论和建议，科技含量较高，是电动汽车电池管理系统今 后发展的一个重要方向。（10）电池管理系统与车辆管理系统的耦合该技术方向可分为与车辆控制系统紧耦合的电池管理系统（占58%）和与车 辆控制系统松耦合的电池管理系统（占 42%）两个子方向，它们几乎并列发展。目前，电池管理系统与车辆管理系统的耦合技术在国内和国外都是研究热 点，对电动汽车的整车安全性能有相当大的影响。（11）电池管理系统的模拟测试、建模和预测该方向技术是对电池的电池参数、电池管理系统的通信能力等进行测试、模 拟、仿真和预测的技术。虽然其变化不会很大，发展也不快，但是由于每一家电 动汽车生产厂家都需要这个环节，所以市场前景广阔。第三部分 方案制定方案一、通过对电池数据采集及其各自特点的分析，我们组认为性能优异且 基本无污染的锂电池应为电动汽车的首选，而生产锂电池做的比较出色的当属比 亚迪。比亚迪成立于1994 年，凭借创新式的生产模式和低成本优势，迅速成长 为世界第二大的可充电电池厂商。随着公司的扩大，比亚迪的产品战略逐步从低 端转向高端，生产模式也逐渐从粗放型向精细型转化。锂电池具有以下优点：体积小、质量轻、工作电压高（是镍镉电池，氢镍电 池的 3 倍）、比能量大（可达氢镍电池的 3 倍）、循环寿长、自放电率低、无记忆 效应、无污染等优点。目前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是：安全性能和汽车动力电池的管理系 统。安全性能方面，由于锂离子动力电池具有能量密度大、工作温度高、工作环 境恶劣等方面的原因，加上以人为本的安全理念，因此，用户对电池的安全性提 出了非常高的要求。汽车动力电池的管理系统方面，由于汽车动力电池的工作电 压是12V或24V,而单个动力锂离子电池的工作电压是3.7V,因此必须由多个电 池串联而提高电压，但由于电池难以做到完全均一的充放电，因此导致串联的多 个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况,电池会出现充电不足和过放 电现象,而这种状况会导致电池性能的急剧恶化,最终导致整组电池无法正常工 作,甚至报废,从而大大影响电池的使用寿命和可靠性能。所以必须根据锂电池 组的当前状态控制充放电,防止过充和过放,确保锂电池组及电动汽车的安全。而且比亚迪已建成磷酸铁锂电池,为此可判断相应 BMS 的主要性能指标功能描述电池种类通讯松仪BMS内部通讯协议工DC/SPI/485/CAN总线协议 BMSb部通讯协込CANJ&S协改电压扫描速率10吗 20m焉 100ms, 500ms f Is （可选）检测精度电池组想电压测量稽度；1%： 单体电压测量精度：3%； 温度测量范围CC -40-125X?; 温度测量精度fCh 玉匸;电流测量精度：OAA ; SOdH量精度：5.0% j均衝技术有源均衡（均衡参数可编程）:均电疲可达2A电源车载12电源（可选儿或以模块电池作为电源BMS 具体技术参数：1、 绝缘电阻：电池管理系统的带电部件和壳体之间的绝缘电阻值大于2MQ，满足国家标 准。2、 电池管理系统监测的状态参数精度：寥数总电压值电流值温度值模块电压值精度3%3.5%3、SOC估算精度，电池管理系统上报的SOC值与SOC测试真值的偏差:SOC5E 围socso%80%S0030%SOCW30%精度要求6%5%方案二、选用镍氢电池，根据搜集的资料，可选用松下的。松下的蓄电池有以下 特点:安全性能好、放电性能好、耐震动性好、耐冲击性好、耐过放电性好、耐 过充电性好、耐大电流性好镍氢电池的工作原理:0HL討M厶匕冃能赁极正极0H-单体电池的标称电压目前镍氢蓄池所 量密度（3 h）为55- 容量的40%充到80%为 功率密度均高于铅酸蓄电池和镍镉蓄电池，循环使用寿命在实际电动汽车电池中500 W/kg ；快速充电从满 50C。它的优点是能量密度、遵达到的性能指标为：7R店h/鹿；功率密度为160-为15min,工作温度为一 3050C镍镉蓄电池，彳丿也是较高的；快速充电和深度放电性能好，充放电效率高；无重金属污染，全密 封免维护。但是镍氢蓄电池循环使用寿命较短，为600次，价格昂贵，lOOOWh 约为600800美元，只有期待大批量生产，才有望降到250美元水平。配套的电池管理系统可选用亿能电子有限公司，亿能电子成立于20 0 6年， 经过三年的发展，公司在小型移动电源研发、制造及品质控制方面积累了丰富的 经验，具备了一定的研发和制造优势。在全球倡导低碳经济的背景下，公司瞄准 动力电池在汽车交通等领域应用的广阔前景，致力于成为电动汽车电池、储能电 站等大型电源管理系统研发、生产和销售服务行业的领先企业。产品介绍：型号YN.BMS.EV-03外形尺寸220*135*40配套方案主从结构，每个从控盒灵活配置，最 多可控制60路电压适用电芯范围铅酸电池、镍氢电池、锂电池等动力 电池工作电压范围（V/DC）12V (918V), 24V (1628V)工作温度范围（C）-4085C工作最大相对湿度90%数据米集/计算（单体电池电压/总电 压/温度/电流/SOC估算）基本功能通讯功能：CAN通讯/RS232通讯状态显示功能、故障分级报警功能、 控制功能（充放电、加热、风机）、 多IO控制/PWM扩展、均衡功能等。电压测量精度：0.5%温度测量范围（C）： -40125C温度测量精度（C）：0.5C技术指标：电流测量精度：0.5%SOC测量精度：5%单体电压循检周期：20mS电流最大采样周期：10mS应用实例2T纯电动环卫车、纯电动小轿车、混 合动力客车新能源汽车/臧杰主编参考文献北京：机械工业出版社 2013.42、汽车之家 (3、盖世汽车网 (4、惠州亿能电子(www.hzepower.ba tt )