国内外汽车动力电池管理系统BMS发展概况教材

1、引言 电池的性能和使用寿命直接决定了电动汽车的性能和成本， 因此，如何提高 电池的性能和寿命得到了各方面的重视。 电动汽车上使用的动力电池是由多个电 池单体通过串并联方式组成电池组， 电池单体都紧密地布置在一起， 在进行充放 电时，各个电池单体所产生的热量互相影响， 如果散热不均匀， 将造成电池组局 部温度快速上升， 使电池的一致性恶化， 使用寿命大大缩短， 严重时会造成某些 电池单体热失控， 产生比较严重的事故。 当动力电池处于低温环境中， 电池的充 放电性能会大大降低， 导致电池无法正常工作。 为了使动力电池组保持在合理的 温度范围内工作， 电池组必须拥有科学和高效的热管理系统。 目前，国

2、内外的许 多研究人员对电池组的热管理系统做了大量的研究， 进行了一些新的探索， 以期 提高热管理系统的控制效果，从而提高电动汽车电池组的性能和使用寿命。 国内外汽车动力电池管理系统（ BMS）发展概况 目前，影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本 问题，延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一 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的管理和控制，为此，国内外 均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。 日本青森工业研究中心从 1997年开始至今，持续进行（ BMS）实际应用的研 究, 丰田、本田以及通用汽车公司等都把 BMS纳入技术开发的重点；

3、美国 Villanova 大学和 USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池 SOC进行基 于模糊逻辑的预测； 韩国 Ajou 大学和先进工程研究院开发的 BMS系统的组成结 构及其相互逻辑关系。该系统在上述结构中进行功能扩展，即增设热管理系统、 安全装置、充电系统以及与 PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通 信联系，实现能量制动反馈和最大功率控制。 我国在十二五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后， 在 BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家 863计划 2005年第 一批立项研究课题中， 就分别有北京理工大学承担的 EQ7200HEV混合

4、动力轿车用 镍氢动力电池组及管理模块、 湖南神舟公司承担的 EQ6110HEV混合动力城市公交 车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、 苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池 轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、 北京有色金属总院承担的解放 牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。 此外还有清华大学、 同济 大学等承担的多能源动力总成控制系统和 DC/DC变换器等一大批相关课题。 现在国外正在开展基于智能电池模块（ SBM）的 BMS研究，即在 1个电池模块 中装入1个微控制器并集成相关电路，然后封装为一个整体，多个智能电池模块 再与1个主控制模块相连， 加以其它辅助设备， 就构成

5、1个基于智能电池的管理系 统。该 BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、 模块内电池电量均衡和电池保 护等功能。美国 Micron 公司开发的军用电动车辆 BMS采用的就是这种结构。 电动汽车电池组热管理系统结构 一、热管理方式 电池组中有电解液、 电极、隔板等各种材料， 由于高温会加速它们的老化速 率，而且当电池组中温差较大时， 高温部分的老化速率会明显快于低温部分， 随 着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显，从而破坏了电池组的一致 性，最终使整组电池提前失效。所以，电池热管理设计对于维持电池正常工作， 延长使用寿命从而减少售后使用成本具有重要作用。 从控制性的角度， 热管理系 统

6、可以分为主动式、被动式两类。从传热介质的角度，热管理系统又可以分为： 空气冷却式热管理、液体冷却式热管理，以及相变蓄热式热管理。 1、动力电池组的冷却方法 早在上世纪 70 年代，就已有文献提出了铅酸动力电池组的热管理问题。动 力电池组布置比较紧凑， 如果没有合理的冷却措施， 将导致电池组局部温度上升， 电池组充放电性能下降， 部分电池过充或过放电， 造成电池使用寿命缩短。 电池 组冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却以及热管冷却。 1.1 空气冷却 空气冷却是利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却。 空气冷却按照冷却系 统所采用的结构不同，分为串行和并行 冷却方式；按照是否使用风扇

7、，分为自然和强制两种冷却方式。 1.1.1 串行和并行冷却方式 1999 年，AhmadA .Pesaran 等人1-2 提出了串行和并行冷却方式， 如图 1 所 示。 图1(a) 是串行式冷却，空气从电池包的一侧吹入，从另一侧吹出，容易造成 电池包散热不均匀； 图1(b) 是并行式冷却， 空气从电池包底部吹入， 从上部吹出， 几乎相同的空气量流过各个电池模块的表面，能够使电池包散热均匀。文献 2 中用二维模型模拟了串行和并行的冷却效果， 如图 2 所示，在相同条件下， 并行 冷却比较均匀， 电池包中最大值温度差为 8 ，采用串行冷却时， 虽然电池包的 最低温度有所下降，但是电池包中温度差高达

8、 18 。 1.1.2 自然和强制冷却方式 自然冷却即没有采用冷却风扇，此方式冷却效果比较差。强制冷却指采用冷 却风扇进行冷却，大部分电动汽车都在使用这种冷却方式，丰田 Prius 和本田 Insight 都采用强制冷却 2002年， Kenneth J.Kelly 等人 3 对2001 年款 Prius 和 2000年款 Insight 的电池热管理系统进行测试，结果表明，两款车的电池温 度被控制在合理范围内。 Prius 采用的冷却风扇有四种工作模式：停止、低速、 中速和高速，热管理系统根据电池包温度的不同使风扇以不同的模式进行工作。 文献 4 对空气强制冷却效果进行了实验和数值模拟，实验

9、采用 18650 型锂离子 电池，当环境温度在 45 、放电倍率为 6.67 C 时，无论空气的流速多大，都无 法将电池包的温度控制在 55 以下；当空气流速增加时，电池单体表面温度差 也将随之增大。 在高温环境下， 强制冷却无法将电池包的最高温度控制在安全范 围内，为解决这一问题，可以采用文献 5 提出的主动热管理系统：在空气充入 电池包之前， 先通过冷却装置对空气进行冷却， 经过冷却的空气能够有效地控制 电池包的最高温度。 1.2 液体冷却 虽然气体冷却比较简单，成本低，但是冷却效果有限，尤其在高温环境、高 电流放电时，比较容易出现热失控，引发安全事故。与空气相比，液体具有高的 热容量和导

10、热系数， 所以，在相同体积和流速下， 液体的冷却效果要明显比空气 好。虽然液体冷却效果要明显优于空气冷却， 但是，采用液体冷却必须考虑密封、 绝缘、电池包比能量降低以及成本等问题， AhmadA.Pesaran2,4 对这些问题进 行了比较详细的讨论。文献 6 提出采用冷却盘方式对方形动力电池进行冷却， 冷却盘内腔有液体流道，文章对流道的优化设计进行了详细叙述。 1.3 相变材料冷却 近年来在国外和国内出现采用相变材料（ PCM）冷却的电池热管理系统展现 出良好前景。利用 PCM进 行电池冷却原理是： 当电池进行大电流放电时， PCM吸 收电池放出的热量， 自身发生相变，而使电池温度迅速降低。

11、此过程是系统把 热量以相变热的形式储存在 PCM中 。在电池进行充电的时候 , 特别是在比较冷的 天气环境下 （ 亦即大气温度远低于相变温度 PCT） ，PCM把 热 量排放到环境中去。 相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、 不需要耗费电池额外能量 等优势。具有高的相变潜热和导热率的相变材料， 用于电池组的热管理系统中可 以有效吸收充放电过程中放出热量， 降低电池温升，保证电池在正常温度下工作。 可以使大电流循环前后电池性能保持稳定。 通过在石蜡中添加热导率高的物质制 成复合 PCM，有助于提高材料的综合性能。 相变材料（ PCM）以其无毒、不易燃、可储热、成本低以及应用方便等优点

12、， 已被广泛应用于电子设备的冷却系统， 1994年，Rafalovich A 等人 7 用相变材 料对铅酸电池进行冷却， 通过数值模拟和实验证明采用相变材料的可行性。 Said Al-Hallaj 和 J.R. Selman 等人 8-12 对相变材料作为锂离子动力电池的冷却 材料进行一系列研究。文献 8-9 通过模拟仿真论证了相变材料作为锂离子动力 电池被动式热管理系统冷却材料是完全可行的。文献 10-11 以电动踏板车为研 究对象，使用 18650 型锂离子电池替代原车的铅酸蓄电池， 给出确定每个电池单 体需要 PCM数 量的计算方法。同时，通过对比实验发现，由于相变材料的导热 率低，如果

13、单独采用相变材料进行冷却， 电池放电时所产生的大部分热量无法快 速地散发到空气中， 从而导致电池包中不同位置的电池单体出现较大的温差。 通 过在相变材料中添加泡沫铝， 可以大大提高相变材料的导热系数， 使电池组的温 度分布均匀。文献 4,12 将强制冷却与采用相变材料的冷却效果进行比较， 其中， 为提高相变材料的导热率， 在相变材料中添加了石墨， 仿真结果表明： 相变材料 的冷却效果要明显优于强制冷却，在 45 环境温度和大电流放电的情况下，无 论流速多大，强制冷却无法将电池包的温度控制在安全范围内， 而相变材料可以， 并且电池包的温度分布均匀。 文献 13 用电加热管模拟电池放热， 研究了相

14、变材 料的整个相变过程以及相变材料中不同位置的温度变化情况， 实验结果表明相变 材料具有良好的冷却效果。 相变材料作为动力电池的被动式冷却系统有其独特的 优势：不需要冷却风扇、排气扇、冷凝器以及冷却路线设计。虽然相变材料有以 上一些诱人的优点，但是也不能忽视相变材料的缺点， Said Al-Hallaj 等人虽 然在文献中强调采用相变材料可以减小电池包的体积和整个电池系统的质量， 但 是没有相应的对比实验，这两项指标是否能够降低应该进行验证。 1.4 热管冷却 热管冷却是 1942 年美国人 R.S. 高勒提出，1967 年热管首次在航天上使用， 并取得成功， 许多电子设备上开始采用热管进行冷

15、却， 电动汽车动力电池应用热 管进行冷却还在研究阶段。 2002 年，Mao-Sung Wu 等人14 利用热管对 12 Ah 圆 柱形锂离子电池进行模拟仿真和实物实验， 实验结果表明热管冷却能够降低电池 的最高温度， 并且可以使电池的温度分布均匀， 但实验也表明热管需配合散热片 和风扇使用才能有比较好的冷却效果，同时应注意热管与电池必须有良好的接 触，否则热管的冷却效果将大大下降。 热管冷却在动力电池上的应用目前还处于 初步阶段，随着研究的进一步深入，此项技术将有可能应用到电动汽车上。 从以上三类热管理形式上看，相变蓄热式热管理具有得天独厚的优势，值 得进一步研究和产业化开发应用。 1.5.

16、 磷酸铁锂电池的热管理系统开发 下面以应用在某插电式混合动力汽车中磷酸铁锂电池的热管理系统为案例， 对其模拟不同的整车工况， 通过系统台架对冷却运行特性、 控制目标和策略等进 行测试和分析。 1.5.1. 系统架构 水冷式电池冷却系统采用冷却液（ 50%/50% 水/ 乙二醇）将电池热量，经电 池冷却器传递至空调制冷剂系统， 并通过冷凝器传递至环境中。 电池进口水温经 电池冷却器换热后容易达到较低的温度，可调节电池在最佳工作温度范围内运 行；系统原理如图所示。其中制冷剂系统主要部件有：冷凝器、电动压缩机、蒸 发器、膨胀阀带截至阀、电池冷却器（膨胀阀带截止阀）及空调管等；冷却水路 包括：电动水泵

17、、电池（含冷却板） 、电池冷却器以及水管、膨胀水箱等辅件。 1.5.2 冷却运行特性 在试验准备阶段，为了使电池充满电量并达到一定的起始电池温度点，采 用了充电、充 - 放电以及环境温度舱升温等不同方式。根据电池产热行为分析， 这个过程中电化学反应热和焦耳热占主导， 伴随着副反应热和电极极化热以及外 界传热等形式， 将电池加热到恶劣起始工况； 在试验阶段，研究冷却过程的启动、 运行特性，掌握电池的降温速率、影响因素及温度分布等。 对电池的负载工况，根据整车适用环境、目标市场、行驶模式、热管理需求等制 定，可以分恶劣驾驶工况、 普通驾驶工况等分别对电池热管理系统的冷却特性进 行考察，本文将以热启

18、动、 NEDC（新欧洲驾驶循环） 、低速爬坡三种工况为例进 行分析。 我们结合一款电池热管理系统的台架试验开发进行了简单分析和说明， 结果 表明该系统能满足电池在这三个工况下的冷却要求。 因为电池冷却的传热途径为 电池芯体 -传热介质 -冷却板-冷却液，所以在电池内部存在温差，以及建立稳定 的热平衡需要一定的时间。依此，在试验中，切断冷却器，即电池冷却停止后， 冷却液温度回升， 但电池温度仍维持下降趋势， 因为冷却板表面与电池之间仍存 在温度梯度和传热行为， 下降速率也逐渐放缓； 该过程持续大约 20分钟。 这对有 效减少电力消耗和优化控制提供了重要参考。 2 动力电池组的加热方法 与电池组冷

19、却相比，电池组加热没有引起足够的重视，随着电动汽车的逐步 推广，电池组的加热问题是不可回避的。当电池处于比较低的温度下（ 10 以下），电池的工作电压和放电量都将大大下降，如图 3 所示，在低温放电时， 电极的极化严重， 电池内阻大大增加， 电解液的活性物质不能得到充分利用， 电 池的电压下降快，放电效率低，当环境温度低至 40 时，电池所发出的功率 已无法使电动汽车正常行驶。 2.1 电池内部加热法 A.Hande 和 T.A.Stuart15-17 提出采用交流电直接对电池的电解液加热的 方法，文献 15,17 采用低频60 Hz 和高频1020 kHz 交流电对铅酸电池和镍氢 电池进行加

20、热，实验表明两种加热方式只需要几分钟就可以将电池从 40 超 低温加热到 20 。低频 60 Hz 交流电的实现比高频 1020 kHz 交流电要简单， 但是装置的体积大、质量重，实现装车使用比较困难，同时，电池专家指出采用 60 Hz 交流电加热，半个周期 8.33 103 s 的时间足够使电池产生大量电离， 缩短电池的使用寿命，目前暂未发现使用高频 1020 kHz 交流电会对电池产生 类似损害。高频 1020 kHz 交流电需要车载发电机才能实现，因此电池自身无 法提供加热所需的能量， 所以高频交流电加热只适用于混合动力电动汽车， 在纯 电动汽车上无法使用。 文献 18 对内部加热和其它

21、几种常用的外部加热法的加热 效果进行仿真模拟，如图 4 所示，内部加热的效果明显优于外部加热。 2.2 电池外部加热法 与内部加热法相比，外部加热比较安全、容易实现，但是能量损失大，加热 时间长。在已发表的文献中主要采用加热板加热、 加热套加热和珀耳贴效应热泵 加热。 2.2.1 加热板加热 加热板加热指在电池组顶部或底部添加电加热板，对电池加热时，将加热板 通电，加热板的一部分热量通过热传导的方式直接传给电池， 还有一部分通过周 围被加热的空气以对流方式对电池进行加热。 加热板所需的电能由电池组本身提 供。文献 19 采用在电池组底部添加加热板的方式对电池进行加热， 并安装风扇 减少电池单体

22、的温差，通过对加热板的加热效果进行模拟：在加热板保持 50 恒温的情况下，将电池组从 20 加热到 20 需要4 h，电池组的温差为 28 。 2.2.2 加热套加热 加热套加热指每个电池单体加上一个加热套，加热套由电阻材料制成，这种 加热方式可以使电池单体受热均匀， 能量损失比较少， 加热时间相对比较短， 但 是，在高温环境中， 加热套会造成电池散热困难。 奇瑞汽车公司对这种加热方式 申请了专利。 2.2.3 珀耳贴效应热泵加热 珀耳贴效应指电流流过两种不同导体的界面时，从外界吸收热量，或向外界 放出热量， 通过改变电流的方向， 可以实现加热和制冷两种功能， 加热和制冷强 度通过电流大小进行

23、精确控制。 Chakib Alaoui 和Ziyad M. Salameh20-22 对 珀耳贴效应在电动汽车上的应用进行研究。 文献 23 利用珀耳贴效应制作电热装 置，并对该装置进行实验， 实验结果表明该装置具有结构简单、 温度控制精度高， 能耗低等优点。文献 21-22 提出将珀耳贴效应应用在汽车上的装置结构，以及 在汽车上的布置方案， 该装置不仅可以对电池加热和冷却， 而且还可以替代汽车 上的空调。通过模拟仿真以及在 Solectria Force 电动汽车上的实验，证明珀耳 贴效应在电动汽车上使用是可行的， 但是文献没有给出具体的加热时间， 以及冷 却时，电池的工作情况和环境温度等。

24、 Bartek Kras 和 Marcin Ciosek 等人利用 珀耳贴效应研制开发了主动式电池组热管理系统，并且装配到 SAM EVII 电动汽 车上，热管理系统可以有效地对电池进行冷却和加热， 此车已在欧洲销售。 但没 有给出热管理系统的具体结构、 加热和冷却温度范围以及温度调节时间等具体数 据。 电池组热管理系统发展趋势 电池组热管理系统对于提高动力电池组的性能和使用寿命起到关键性作用。 目前热管理系统的冷却部分虽然有许多新的方法提出， 空气冷却方式仍然是主要 采用的方法， 空气冷却比较容易实现， 但冷却效果不佳。 液体冷却有较好的冷却 效果，而且可以使电池组的温度分布均匀， 但是液体

25、冷却对电池包的密封性有很 高的要求， 如果采用水这类导电液体， 需用水套将液体和电池单体隔开， 这样不 仅增加了系统的复杂性而且降低了冷却效果。 热管技术作为电池组新的冷却方法 被提出后， 有了一定的发展， 但是受到布置和体积的限制， 目前还没有在实车上 使用的报道。 PCM冷 却以其简单的结构、 低廉的成本以及零能耗， 成为比较有吸 引力和发展潜力的冷却方式。 与电池组的冷却相比， 电池组的加热问题没有受到 足够的重视， 但是动力电池组低温下充放电性能大大降低是不容回避的问题， 如 何使动力电池组在低温甚至超低温环境下快速地恢复正常的充放电性能是电池 加热系统所要解决的问题。 虽然内部加热速

26、度非常快，但是由于诸多因素影响，在纯电动汽车上还无法 采用。目前， 电动汽车上主要采用加热板的方式对电池组进行加热， 这种加热方 式虽然结构简单， 但是加热时间长， 加热后会造成电池包内温度不均匀， 而且能 耗比较大，采用加热套的加热方式，可以缩短加热时间，使电池单体均匀受热， 如果通过深入研究， 进一步缩短加热所需要的时间， 减少能量损耗， 这种加热方 式是完全可行的。 珀耳贴效应热泵加热法是一种新的加热方法， 可以对电池组进 行冷却和加热，因此具有良好的应用前景。 以上基于动力电池热管理，从电池 的产热行为认识了不同工作过程的主要热源， 以及高温和温度差异对电池的不良 影响，并讨论了不同的

27、热管理形式及优缺点。另外，我们也从中发现： 电池降温速度对系统冷却能力设计有重要影响， 这主要是涉及到电池内部的 传热设计，比如热量传递路径、传热介质、电池芯体结构设计等，电池自身发热 和能够被带走的热量不能等同， 这一点必须由电池总成的台架试验进行测定， 然 后输入给外部热管理系统； 电池模块布置方式也是重要影响因素，但这与整车布置空间、碰撞安全等 相关，在进行布置设计时， 热管理系统设计也需密切关注和评估， 并可以作为整 车电池布置方案决策的输入。 结合电池运行特性，在后续开发阶段，需对空调系统耦合运行和热管理控制 策略进行深入研究，使系统节能、高效地对电池进行热管理。 从电池设计和热管理

28、系统开发两个环节来看，应从战略高度将两者有机结 合起来，进行同步开发， 使电池更好地适应整车应用和开发， 这样既能节约整车 成本，又能降低应用难度和开发成本， 形成平台化应用， 从而缩短新能源汽车的 开发周期，加快不同新能源车型的市场化进度。作为主动热管理系统。 参考文献： 1 CHEN C C, GIBBARD H F.Thermal management of battery systems for electric vehicles and utility load levelingC/Proceedings of the 14th Intersociety Energy Convers

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