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解析电动汽车锂电池BMS系统

2017年03月20日 15:39 次阅读

电动汽车的出现,是在全球变暖、环境污染和能源危机所推动的。2015年全球电动汽车生产量和出货量分别超过了50万辆的规模,其中中国超过了37万辆。电动汽车必须要有电能储存装置,目前锂离子电池是动力电池的首选和主流。锂离子电池在串联成组使用时存在过充、过放、过流、温度过高过低等问题,会造出锂离子电池的迅速损坏,因此需要电池管理系统进行管理。

1、锂离子电池

锂离子电池指由正极、负极、隔膜、电解液四大主要材料和外壳制成的电池。其中正极和负极材料必须能够可逆的嵌入和脱嵌锂离子,隔膜必须是锂离子导通而电子绝缘,电解液必须是锂离子溶液。

通常正极材料里是一个过渡元素发生氧化还原反应,而金属锂和碳负极是金属锂发生氧化还原反应。充放电过程,锂离子在电池内部正负极之间来回转移,电池在外电路移动。有人形象地把这种锂离子转移过程成为摇椅,而将锂离子电池称为摇椅式电池。

电动车电池管理系统研究

图1 锂离子电池的工作过程图示

锂离子电池正极材料一般采用嵌锂过渡金属氧化物,如Ni、Co、Mn的嵌锂氧化物。负极材料则要选择电位尽可能接近金属锂的嵌锂化合物,如各种碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。

电解液普遍使用报告LiPF6的溶液,溶质为有机物,常用的有乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)和低密度二乙烯碳酸酯(DEC)等;隔膜主要由烯烃类聚合物制成多孔复合膜;外壳材料有钢、铝、塑料、铝塑膜等。锂离子电池典型的结构如下图:

电动车电池管理系统研究

图2 方形电池的典型结构

锂离子电池典型参数有:容量、内阻、电压;锂离子电池特性参数有:循环寿命、放电平台、自放电率、温度性能、储存性能等。锂离子电池安全测试有:过充、短路、针刺、跌落、浸水、低压、振动等。

锂离子电池比较娇贵,其充放电是一个多变量、非线性复杂的电化学过程,如果不能满足其充放电的条件要求,很容易出现寿命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件,因为锂离子电池对于温度、电压、电流等很敏感。

2、电池管理系统的发展

早期的电池管理系统有:德国1991年开始设计的BADICHEQ和BADICOaCH系统,美国通用汽车EV1使用的电池管理系统,美国AC Propulsion 公司开发的名为BatOPt的高性能电池管理系统。

国内最早主要是一些高校依托自己的科技优势联合一些大的汽车和电池生产商进行了一些研究工作,清华大学为EV-6568轻型电动客车配套了电池管理系统、同济大学和北京星恒合作开发了锂离子电池管理系统、春兰研究院开发了HEV-BMS系统、北京理工和北方交通大学等依托国家863计划电动汽车重大专项子课题,也开发了有特色的电池管理系统。随着电动汽车市场的启动,许多商业化的产品都获得了大批量的应用。

3、电池管理系统研究内容

首先,要研究电池管理系统,一般研究单片机为核心,车载网络为分布系统。然后研究传感,因为需要检测电池的参数。一般检测电压、电流、温度。数据和控制的传输需网络来实现,一般用CAN网络。执行机构,通过显示屏、继电器、风扇、泵、电机等来实现。

电动车电池管理系统研究

图3 电池管理系统的硬件系统示意图

有了管理的实现系统,需要管理的运行系统。对电池的管理,分为放电、充电和静置三种过程。静置涉及到温度、安全的管理。充电涉及到充电参数的配置,充电过程的监控,充电过程的温度、电压、电流的保护。放电过程涉及到输出功率的管理,用电规划的管理,使用过程电压、电流、温度的管理。

充电放电静置都会需要参考同一个参数,就是剩余可用电量,也叫荷电状态(SOC,state of Charge)。锂离子电池的放电过程是很复杂的电化学过程,受到很多因素的影响,剩余电量的估算十分困难,困难主要来自如下几个方面:

一是电池的容量不固定,在完全相同的经历和状态参数下,电池的容量不是固定的;二是电池老化无法确定,电池的老化无法精确的随时标定,电池组内的分散程度也无法精确随时标定;三是使用过程的随机性。文献对于各种SOC的估算方法进行了介绍。

锂离子电池组在使用过程中,即使单节电池的性能再优越,单体之间也存在不一致,电池组在使用过程中也会使其特性产生变化,目前对电池组在使用过程中单体间出现分散性的现象,并无有效的解决办法,因此需要外部来解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题。

目前通用的均衡方法有耗能均衡,充电均衡和能量转移均衡。最典型使用最广的是耗能均衡,该方法利用发热电阻旁路分流,原理如下图:

电动车电池管理系统研究

图4 耗能均衡的原理示意图

充电均衡是在充电结束时,对每个单体电池单独使用一个小充电器将其充满电。能量转移均衡由于SOC测量的困难,虽然有很多的研发,还没有能进入实用的产品。

当然,电池管理系统做到这样还是不够的,电池在使用过程中温度会升高,温度过高锂离子电池就不能再继续使用,这是不希望出现的情况。因此,最初的电池管理系统又增加了散热管理的功能。再后来,发现低温环境下电池温度过低后充放电都无法继续进行,于是进行了加热管理。

电池使用范围的进一步扩大,电池安全问题增多,于是就有了安全管理的问题。最初的安全管理是监控,BMS将电池的数据发送到监控中心,监控中心根据数据来判断安全隐患。进一步发展到对BMS本身对安全做出预警。

电池在使用过程中总是需要维护、更换单体、做均衡等,这些工作需要诊断,如果BMS在需要之前就已经把诊断做好,数据准备好,那么相应的工作就会变得简单很多,于是电池管理系统又增加了故障诊断和报送的功能。

随着退役电池的增多,电池的梯次利用和循环使用又显示出问题来了,于梯次利用电池的配组需要进行大量的研究,BMS又承担起配组优化的管理功能。

电池研发的进步,也依赖于电池使用过程中发现的问题、现象,依靠实际使用过程的选择,于是电池管理系统又增加了电池技术选择的功能。

4 电池管理系统发展展望

测量是电池管理基础,越来越精确,分辨率越来越高的技术应用于电池管理系统。SOC估算的研究也从一色的安时积分为基础发展到焦耳积分等其他方法。电池的管理功能越来越多,值得关注的是多级电池管理系统的兴起。

从主从结构,发展到每个独立置换单位能够具有完整的电池管理系统功能。在电池系统之外,整车电池管理,和后台服务器电池管理程序也在兴起。此外,值得关注的是,电池管理系统不再是被动地去保护电池,而是优化使用和使用环境。温度管理是优化使用环境,参数推演是优化使用。随着行业的发展,可以期待更多更好的电池管理技术和产品出现。

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发表于 2018-04-03 11:22 310次阅读
浅谈电动汽车电机控制器技术

2018年将积极推进充电桩建设,年内计划建成充电...

2018年是贯彻党的十九大精神的开局之年,是改革开放40周年,是决胜全面建成小康社会、实施“十三五”...

发表于 2018-04-03 11:08 800次阅读
2018年将积极推进充电桩建设,年内计划建成充电...

半年规划投资高达1800亿,造车新势力宝能布一个...

宝能如此不遗余力的打造"宝汽"版图的背后,姚振华到底在布一个怎样的大局?

发表于 2018-04-03 10:39 1700次阅读
半年规划投资高达1800亿,造车新势力宝能布一个...

电池健康状态特性参数提取方法

美国国家能源部、可再生能源实验室、太平洋西北国家实验室、NEC美国实验室、德国马尔凯理工大学、巴西南...

发表于 2018-04-02 11:08 292次阅读
电池健康状态特性参数提取方法

李书福献策新能源汽车:打造新动能,改造老动能

20日上午,十三届全国人大一次会议闭幕会前的第五场代表通道上,全国人大代表、全国工商联副主席、浙江吉...

发表于 2018-04-02 10:47 408次阅读
李书福献策新能源汽车:打造新动能,改造老动能

全球首辆3D打印电动汽车面世,价格亲民

全球第一辆3D打印电动汽车即将投入量产,预计2019年我们就可以开着3D打印电动汽车出行了…

发表于 2018-03-31 10:26 444次阅读
全球首辆3D打印电动汽车面世,价格亲民

EDS电驱动系统对电动汽车的性能表现起着重要作用

在XPT的EDS电驱动系统中,异步感应电机是极其重要的一环。目前,异步感应电机和永磁同步电机是交流电...

发表于 2018-03-31 09:06 337次阅读
EDS电驱动系统对电动汽车的性能表现起着重要作用

锂电池市场规模有望达670亿_电动车或因此改变

据OilPrice网站报道,电动汽车革命正在推动锂离子电池的蓬勃发展。到2022年,锂离子电池的市场...

发表于 2018-03-31 05:55 543次阅读
锂电池市场规模有望达670亿_电动车或因此改变

动力电池回收是大趋势 日产、住友将建动力电池回收...

据悉,日产汽车、住友商事株式会社及其合资企业4R Energy,正在开设日本首家专门从事于电动车锂离...

发表于 2018-03-30 17:19 437次阅读
动力电池回收是大趋势 日产、住友将建动力电池回收...

动力电池格局走向三大点评

扎根在以动力电池为核心的产业链上,不得不在政策的大起大落中,冷眼看行业;在资本的风起云涌中,预判格局...

发表于 2018-03-30 16:54 425次阅读
动力电池格局走向三大点评

高看新能源汽车市场 星恒电源提速备战动力锂电市场

星恒电源苏滁现代产业园项目占地面积700亩左右,计划总投资100亿元,分四期建设。其中一期项目投资3...

发表于 2018-03-30 16:15 345次阅读
高看新能源汽车市场 星恒电源提速备战动力锂电市场

电池形态三分天下,软包电池潜力巨大

目前动力锂电池依据封装形式差异可分为三类形态:圆柱、方形和软包,其中圆柱和方形也统称为硬壳电池。三种...

发表于 2018-03-30 11:43 696次阅读
电池形态三分天下,软包电池潜力巨大

电动汽车三合一电驱系统技术详解

经过优化的电动轴驱动系统已装备于小型汽车,采用轻量化设计的传动部件实现了12.5:1的传动比,该设计...

发表于 2018-03-29 17:01 844次阅读
电动汽车三合一电驱系统技术详解

“手机取代PC说”也成了空谈,未来电池技术如何突...

目前锂电池技术的限制使得厂商在外观与续航上必须做出选择,如果你想要续航更持久的手机,就必须扩大锂电池...

发表于 2018-03-29 14:17 802次阅读
“手机取代PC说”也成了空谈,未来电池技术如何突...

动力电池时代:新龙浩氦检杜绝电池泄漏

众所周知,泄漏会让锂电池出现电解液挥发、水分渗入、鼓胀等诸多问题,进而导致锂电池性能下降乃至起火爆炸...

发表于 2018-03-29 10:32 391次阅读
动力电池时代:新龙浩氦检杜绝电池泄漏

国家电网:共同推动我国电动汽车持续健康发展

“中国电动汽车百人会论坛(2018)”于2018年1月20-21日在北京钓鱼台国宾馆召开,会上,国家...

发表于 2018-03-29 09:14 566次阅读
国家电网:共同推动我国电动汽车持续健康发展

关于电动汽车充电的发展过程

电动车充电分为哪几个过程1、恒流充电阶段,充电器充电电流保持恒定,充入电量快速增加,电池电压上升;2...

发表于 2018-03-29 03:56 134次阅读
关于电动汽车充电的发展过程

移动补电车出现需求新风口_再也不用担心电动汽车如...

移动补电车具备高度灵活性,适用于诸多充电桩无法应用的场景,弥补固定充电桩运营模式的短板,已经被当做一...

发表于 2018-03-28 16:53 556次阅读
移动补电车出现需求新风口_再也不用担心电动汽车如...

动力电池发展现状与技术趋势全面解析

目前,国内新能源汽车仍然在采用磷酸铁锂(BYD为主)和三元锂电池,车型续航里程基本上都能够达到300...

发表于 2018-03-28 16:12 976次阅读
动力电池发展现状与技术趋势全面解析

锂电池深度研究报告(技术路线、市场概况、成本与材...

锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个...

发表于 2018-03-28 16:05 977次阅读
锂电池深度研究报告(技术路线、市场概况、成本与材...

新能源汽车成长的方向

未来纯电动汽车的成长和发展,我认为,主要有以下三个方面的内容。  第一,是电动汽车企业可能每五年就要...

发表于 2018-03-28 15:45 443次阅读
新能源汽车成长的方向

电动汽车未来发展的必然趋势,汽车无线充电产业必将...

QI、PAM、A4WP都致力于成为全球通用的最终标准,但目前状态应该是势均力敌。而关于电动汽车的无线...

发表于 2018-03-27 13:50 931次阅读
电动汽车未来发展的必然趋势,汽车无线充电产业必将...

分析夺得锂电池结构件市场份额第一的科达利的秘诀

励建炬表示,科达利自成立之初就坚持定位于高端市场,采取重点领域的大客户战略,避免与业内其它企业在中低...

发表于 2018-03-27 13:43 659次阅读
分析夺得锂电池结构件市场份额第一的科达利的秘诀

动力电池原材料价格上涨 新能源汽车整车厂转嫁压力

原材料价格不断上涨,动力电池产业链中、下游企业成本压力持续增大。从业绩预告及年报情况看,上、中、下游...

发表于 2018-03-26 17:23 528次阅读
动力电池原材料价格上涨 新能源汽车整车厂转嫁压力

锂电池浆料固含量测定仪

发表于 2018-03-26 17:14 108次阅读
锂电池浆料固含量测定仪

锂电池有电压无电流如何修理

本文主要介绍了锂电池有电压无电流如何修理。单体电压显示值较其余单体偏低,测量单体实际电压值进行比对,...

发表于 2018-03-26 13:33 377次阅读
锂电池有电压无电流如何修理

tp4056充电保护电路图(八款tp4056锂电...

本文主要介绍了tp4056充电保护电路图(八款tp4056锂电池充电电路详解)。TP4056 是专门...

发表于 2018-03-26 11:24 795次阅读
tp4056充电保护电路图(八款tp4056锂电...

GBT 20234.2-2015 电动汽车传导充电用连接装置 第2部分 交流充电接口

发表于 2018-03-22 08:02 251次阅读
GBT 20234.2-2015 电动汽车传导充电用连接装置 第2部分 交流充电接口

GBT 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统 第一部分 通用要求

发表于 2018-03-21 21:30 201次阅读
GBT 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统 第一部分 通用要求

跪求锂电池充电电路原理图(基于bq2057c)

发表于 2018-03-16 10:54 207次阅读
跪求锂电池充电电路原理图(基于bq2057c)

新的6S 22.2V 5300mA 30C航模锂电池需要激活吗?如何激活?

发表于 2018-03-05 08:36 386次阅读
新的6S 22.2V 5300mA 30C航模锂电池需要激活吗?如何激活?

如何通过锂电池供电生成3.8V左右电源

发表于 2018-02-27 15:02 855次阅读
如何通过锂电池供电生成3.8V左右电源

25.2V锂电池充电电路图

发表于 2018-02-23 10:53 687次阅读
25.2V锂电池充电电路图

6S航模锂电池电压检测和报警器

发表于 2018-02-05 21:45 948次阅读
6S航模锂电池电压检测和报警器

10kW电动汽车充电站电源设计

发表于 2018-02-01 17:41 678次阅读
10kW电动汽车充电站电源设计