BMS知识讲座--rev

1、9/27/2021BMS室电池管理系统知识讲座中航锂电技术研究院中航锂电技术研究院汇报人：汇报人： 吕少锋吕少锋 BMS室9/27/2021BMS室什么是电池管理系统什么是电池管理系统为什么需要为什么需要BMSBMS功能、组成及拓扑结构功能、组成及拓扑结构第一篇BMS室9/27/2021BMS室什么是电池管理系统？电池管理系统（Battery Management System）来自Wikipedia的定义： A Battery Management System (BMS) is any electronic device that manages a rechargeable batter

2、y (cell or battery pack), such as by monitoring its state, calculating secondary data, reporting that data, protecting it, controlling its environment, and / or balancing it.个人观点： 电池管理系统是一种能够对蓄电池进行监控和管理的电子装置，通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护、提升电池的综合性能。BMS室9/27/2021BMS室为什么锂电池需要BMS？安全需求：

3、锂电池的缺点是“娇气”，1次过放电就会造成电池的永久性损坏。极端情况下，锂电池过热或者过充电会导致热失控、电池破裂甚至爆炸。锂电池需要BMS来严格控制充放电过程，避免过充、过放、过热。功能需求： 锂电池在使用过程中需要知道电池的SOC参数，通过SOC预测电池的剩余电量。BMS能够实时测算锂电池的SOC，满足客户应用需要。 大容量锂电池存在比较明显的不一致性，不一致性会影响电池的充放电能力及循环寿命。BMS能够通过均衡改善不一致性，提升锂电池整体性能。 电池在不同的温度下会有不同的工作性能，锂离子电池的最佳工作温度为2540。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用电量发生变化，甚至会影

4、响到电池的使用寿命。通过BMS可以控制电池工作的环境温度，改善电池特性。BMS室9/27/2021BMS室锂电池工作原理BMS室9/27/2021BMS室过充过放的本质锂电池充放电过程 充电时，锂离子从正极板脱嵌，通过电解液嵌入到负极板上；放电时，锂离子从负极板上脱嵌，并经由电解液嵌入到正极板上；锂离子电池的充放电过程是锂离子在极板上的嵌入和脱嵌过程。充电时，随着锂离子的脱嵌，正极材料体积会发生一定量的收缩；放电时，随着锂离子的嵌入，正极材料体积会发生一定量的膨胀。 过充时过充时，正极晶格会产生崩塌，锂离子在负极会形成锂枝晶从而刺破隔膜，造成电池的损坏。 过放时过放时，正极材料活性变差，阻止锂

5、离子的嵌入，电池容量急剧下降。如果发生正极材料体积过度膨胀，也会破坏电池的物理结构，造成电池的损坏。BMS室9/27/2021BMS室BMS的基本功能单体电池电压采集；单体电池温度采集；电池组电流检测；单体/电池组SOC测算；电池组SOH评估；充放电均衡功能；绝缘检测及漏电保护；热管理控制（散热、加热）；关键数据记录（循环数据、报警数据）；电池故障分析与在线报警；通信功能（能够与充电机、电机控制器等通信）。BMS室9/27/2021BMS室BMS组成示意图图中所示为亿能BMS，采用主从结构(Master-Slave)，包含一个主控多个从控，每个从控最多管理60支电池。主控与充电机、车辆控制器通

6、过外部CAN总线通信，主控与手持设备通过RS232通信，主从之间通过内部CAN总线级联。从控实现电压采集、温度采集、热管理，主控兼顾电流测量、绝缘检测以及与其他设备通信等功能。BMS室9/27/2021BMS室BMS拓扑结构-Distributed定义：电压、温度采集以及均衡等功能等分布到每支电池，通过总线与主控通信。优点：设计、构造简单，连线少，可靠性高，便于扩展。缺点：每支电池都需要一块控制板，安装繁琐、成本高。实例：GENASUN GLD， Elithion Lithiumate BMS。BMS室9/27/2021BMS室BMS拓扑结构-Centralized定义：电压、温度采集以及均衡

7、等所有功能均由主控完成（无从控），主控与电池无总线通信，直接导线相连。优点：设计、构造简单。缺点：连线长、连线多，可靠性不高，管理电池数量不能太多。实例： Flex BMS48 ， JustPower BMS 系列某产品（BattMind C series） 。BMS室9/27/2021BMS室BMS拓扑结构-Modular定义：一主多从结构，电压、温度采集以及均衡等功能由从控完成，一个从控管理若干电池，主控与从控总线通信（也称为Master-Slave ）。优点：不需要在每支电池上安装控制电路板，连接灵活；从控离电池近，避免过长连线；便于扩展。缺点：需要考虑主从之间的通信隔离，通信多样、控制

8、复杂。实例：国内主流BMS结构，亿能、冠拓、力高、宁波拜特BMS40、中航锂电自研BMS。BMS室9/27/2021BMS室SOC、SOH电池不一致性分类、定义电池不一致性分类、定义均衡方法、均衡过程、均衡误区均衡方法、均衡过程、均衡误区第二篇BMS室9/27/2021BMS室SOC定义及表示方法State of Charge (SoC): 100% SoC 0%SoC = (remaining capacity) / (capacity of fully charged battery) SoC = (remaining capacity) / (Total amount of usable

9、 charge at a given C-rate)SoC = (Cn Qb) / CnoCn: nominal capacityoQb: net dischargeRemaining Capacity Usable Capacity Usable capacity depends on the cutoff voltageUsable capacity depends on the age of the battery Capacity of fully charged battery Total amount of usable charge at a given C-rate CnBMS

10、室9/27/2021BMS室SOC定义及表示方法定义SOC（State of Charge）SOC= 1 （Qdischarge/Qrated）= Qrest/Qrated SOC表征电池的荷电状态，计算方法如上式，其中Qdischarge为已经放出电量，Qrated为额定电量，Qrest为剩余电量。SOC表示方法化学法：通过测量电解液的比重或PH值来指示电池的SOC（没有密封的铅酸电池）。电压法：建立电池充放电过程中电压与SOC的对应关系，通过读取的电压参数来反映SOC（受电流和温度影响）。电流积分：即所谓的安时积分法，将充放电电流与充放电时间进行积分，计算电量（需要校准）。1.压力法：电池

11、内部压力随着充电的持续而增加，根据测量到的压力判断SOC大小（适用于镍氢电池）。BMS室9/27/2021BMS室锂电池SOC测算方法电压法不依赖于历史状态，无累积误差，各单体SOC相对独立；但是锂电池电压曲线平缓，不易判断。电阻测量法：用不同频率的交流电激励电池，测量电池内部交流电阻，通过计算模型得到SOC估计值；但SOC与电阻等参数之间关系复杂，传统数学方法难以建模。AH积分法依赖于历史状态，有累积误差，有均衡的情况下SOC测算难度加大；但AH积分法可以通过补偿、校准提高精度，目前应用最广泛。神经网络法、卡尔曼滤波法。BMS室9/27/2021BMS室锂电池SOH定义 SOH（State

12、of Health）即电池的健康状态，是用来表征电池是否可以正常工作的一个指标，当SoH较差时电池可能已经处于失效状态。SOH主要表现在以下几个方面：Full Discharge Test （容量衰减）SoH = (measured capacity) /(rated capacity) 1 SoH 0 A battery is at its end of lifetime at SoH of 0.8 . (Energy Institute Battery Research Group)Increase in internal resistance resulting active power

13、 loss （内阻增大导致有源功耗）Increase in self discharge rate（自放电率增大）Counting charge/discharge cycles（循环次数累加）Voltage drop during initial discharge（初始放电电压下降）BMS室9/27/2021BMS室电池第一类不一致性第一类不一致性：第一类不一致性：电池自身容量的差异导致的不一致性。第一类不一致性由电池生产制造工艺不完善导致，同一批次电池容量有一定的离散性。假设#1, #2 和 #3三支100AH串联电池的实际容量分别为95AH, 100AH, 105AH, 即存在第一类不

14、一致性，容量差异为10AH; 三支电池的初始电量为均为 60AH, 此情况下纯粹由第一类不一致性导致的SOC最大差异将为9%（充放电末端达到最大值），SOC最小差异为5%左右。当前电量当前电量60AH当前电量当前电量60AH当前电量当前电量60AH实际容量实际容量95AH实际容量实际容量100AH实际容量实际容量105AH#1#2#3SOC=52.6%SOC=50%SOC=47.6%BMS室9/27/2021BMS室第一类不一致性的影响第一类不一致性影响：充电时#1电池先达到截至电压,充电终止;放电时三支电池几乎同时达到截至电压,放电终止;电池组的充放电能力受容量最小单体(#1)制约, 实际只

15、有95AH。充电充电放电放电当前电量当前电量0AH当前电量当前电量0AH当前电量当前电量0AHSOC=0%SOC=0%SOC=0%当前电量当前电量95AH当前电量当前电量95AH当前电量当前电量95AHSOC=100%SOC=95%SOC=90.5%BMS室9/27/2021BMS室电池第二类不一致性第二类不一致性：第二类不一致性：纯粹由各个单体电池初始电量差异导致的不一致性。第二类不一致性不依赖于第一类不一致性存在。电池组在实际应用过程中因为内阻差异、自放电率差异等原因，第二类不一致性会从无到有，从弱到强。假设#1, #2 和 #3三支串联电池的实际容量均为100AH,即不存在第一类不一致性

16、;三支电池的当前电量为55AH, 60AH, 65AH,由此导致的SOC差异为10% ，电量最大差异10AH。实际容量实际容量100AH实际容量实际容量100AH实际容量实际容量100AH#1#2#3SOC=55%SOC=60%SOC=65%当前电量当前电量55AH当前电量当前电量60AH当前电量当前电量65AHBMS室9/27/2021BMS室第二类不一致性的影响第二类不一致性影响：充电时#3电池先达到截至电压,充电终止;放电时#1先达到截至电压,放电终止;电池的实际容量是100AH,然而充放电能力实际只有90AH。充电充电放电放电当前电量当前电量0AH当前电量当前电量5AH当前电量当前电量

17、10AHSOC=0%SOC=5%SOC=10%当前电量当前电量90AH当前电量当前电量95AH当前电量当前电量100AHSOC=90%SOC=95%SOC=100%BMS室9/27/2021BMS室如何解决电池存在的不一致性BMS可以通过均衡功能均衡功能解决电池组使用过程中 存在的第一类不一致性和第二类不一致性。均衡分为主动均衡和被动均衡。被动均衡以电阻能耗法为代表，该方法可以实现充电均衡。主动均衡DC/DC变换器为代表，基于此主动均衡又可以分为以下四种方式，每种方式均可以实现充电均衡和放电均衡 ：电池组向单体均衡（放电均衡效果尤佳）；单体向电池组均衡（充电均衡效果尤佳）；电池组与单体之间双向

18、均衡；单体与单体之间均衡。实际应用中第一类不一致性和第二类不一致性同时存在,严重影响电池组的充放电循环能力。So CRAZY!BMS室9/27/2021BMS室常见的均衡方法示意图BMS室9/27/2021BMS室主动均衡详细示意图BMS室9/27/2021BMS室关于均衡的认识误区均衡能够修复性能恶劣的电池：均衡不能对性能下降的电池进行修复，只能缓解不一致性造成的影响；均衡可以代替电池分选：电池分选不可替代，解决不一致性依赖于均衡的原理及均衡能力，均衡只能起到调理作用，“治标不治本”；纯粹的充电均衡或者放电均衡可以解决不一致性问题：纯粹的充电均衡或者放电均衡只能解决第二类不一致性问题，且依赖

19、于均衡能力，对电池自身容量差异（第一类不一致性）毫无办法，只有同时具备充放电均衡才能改善第一类不一致性；均衡能够提升电池使用安全性：理解比较片面、狭隘，电池使用的安全性不依赖于均衡。BMS室9/27/2021BMS室如何选择如何选择BMSBMS认识误区认识误区BMS、电动车与新能源关系、电动车与新能源关系第三篇BMS室9/27/2021BMS室如何正确选择BMS（1）首先要确保BMS的稳定性和可靠性。稳定性和可靠性是BMS的基础，忽视稳定性和可靠性其他一切无从谈起。识别方法：根据使用经验、选择大品牌。其次要考虑BMS功能，根据客户需求考虑所应具备的功能：单体电池电压采集 单体电池电压采集必须具

20、备，因为BMS需要根据采集到的每支单体的电压判断充电终止和放电终止条件，防止过充电和过放电，保护电池使用安全。要与BMS厂商进行技术交流，了解其过充过放保护机制是否科学。单体电池温度采集 当前市场上BMS多数不具备检测所有单体电池电芯温度的功能，但是从技术角度考虑，采集每支电池的电芯温度非常重要。电池连接松动、使用不当、内部出现故障等情况下，很重要的表现就是温度上升，通过检测每支电池的电芯温度可以实时了解电池运行状况，提供异常报警，避免发生事故。 BMS室9/27/2021BMS室如何正确选择BMS（2）电流测量 几乎所有的BMS都具备电流测量功能，BMS将测量到的电流传递给主控制器，形成闭环

21、反馈控制。一方面可以准确控制充电过程中充电机的输出电流，实现既定充电策略；另一方面控制负载放电电流，保护电池放电过程中的安全。BMS对电流测量的精度要求很高，因为许多BMS的SOC基于电流计算，高精度的电流测量才能够保证高精度的SOC计算。选择BMS时，电流精度越高越好。SOC测算 SOC测算是BMS必不可少的功能，通过SOC用户可以预估电池的剩余电量。单体电池的SOC测算也非常重要，因为最小单体的SOC决定了整个电池组的SOC，也有厂家通过单体SOC判断均衡使能。但是SOC测算是行业难题，很难有一种算法能够适应所有型号电池以及所有使用条件。因此，在选择BMS适当考虑其SOC精度即可，不可过分

22、迷恋厂家吹嘘的指标。 BMS室9/27/2021BMS室如何正确选择BMS（3）均衡功能 对于锂电池而言，BMS需要均衡功能，但是由于技术和成本等原因并非所有BMS都具备均衡。选择均衡要看两个方面：均衡形式（充电均衡、放电均衡还是充放电均衡？）和均衡能力（多大的均衡电流？）。如果只是解决第二类不一致性问题，仅仅是充电均衡或者放电均衡就可以了，均衡电流不需要非常大（1A左右即可）；对于第一类不一致性，必须同时具备充电均衡和放电均衡才能改善，并且要求大电流均衡，均衡电流的值与具体的不一致性程度有关 。还要考虑热管理、故障报警及保护等因素。最后要考虑BMS的使用方便性。要求尺寸小，便于安装，便于维护

23、，扩展性要好，智能化程度高等。 BMS室9/27/2021BMS室关于BMS的认识误区以下仅为个人观点，仅供参考以下仅为个人观点，仅供参考功能越多越好。功能能满足需要即可，并非越多越好，系统越简单可靠性才可能越高。刻意追求电压或温度等参数的采集精度。理由如上，精度满足需要即可，过高的精度不一定会带来BMS性能的提升，相反会增加成本。BMS能够修复性能差的电池。BMS不能修复性能差的电池，充其量能够减缓其变差、抑制其影响。均衡能解决电池自身容量不一致性。单独的充电均衡或者放电均衡对容量差异无明显改善作用，只有大电流充放电均衡才能改善容量不一致性。盲目追求充电或放电截止电压一致。对于只有充电均衡或

24、者放电均衡的BMS，盲目追求末端的截止电压一致性无任何意义，只是花瓶。只有当同时具备大电流充放电均衡时才有必要研究末端截止电压一致性问题。BMS室9/27/2021BMS室电动车与新能源的关系能源危机，尤其是石油危机制约常规动力汽车的进一步发展，发展新能源及电动车是解决当前困境的有效方法。常规动力汽车比起电动车，能源利用效率偏低，同时会导致环境污染。电动车不会直接造成环境污染，或者无污染，符合新能源发展的要求。当前涉及到的新能源如风能、太阳能等，多数要转换为电能才可以应用。电动车可以存储电能，用电低谷时充电，用电高峰时放电，对智能电网建设意义重大。BMS室9/27/2021BMS室电动车与新能

25、源的关系Generation33%Transmission94%Plug-to-Wheels76%Refining82%Transmission98%Pump-to-Wheels16%23%13%31%80%Well-to-TankTank-to-Wheels31%76%= 23%16%= 13%80%BMS室9/27/2021BMS室中航锂电中航锂电BMS技术介绍技术介绍营销公司所列问题营销公司所列问题EMC/EMI第四篇BMS室9/27/2021BMS室中航锂电BMS系统组成BMSMCMUCABU其他附件LCDBFGUMCMU- -主控主控管理管理单元单元CABU-电池采集均衡单元电池采集

26、均衡单元BFGU-电流测量单元电流测量单元LCD-液晶显示屏液晶显示屏其他附件其他附件电池管理系统电池管理系统 B Battery attery M Management anagement S SystemystemBMS室9/27/2021BMS室中航锂电BMS测试效果（1）0246810125060708090100110X: 10Y: 105.2电池编号X: 9Y: 98.03X: 9Y: 58.03X: 1Y: 104.5X: 2Y: 103.9X: 3Y: 103.1X: 5Y: 103.1X: 6Y: 102.7X: 7Y: 104.3X: 8Y: 103.2X: 11Y: 10

27、3.8X: 12Y: 104.4 X: 4Y: 104电池容量及电量电 池 标 定 容 量 电 池 初 始 电 量 98.03AHBMS室9/27/2021BMS室中航锂电BMS测试效果（2）02468101214020406080100120X: 10Y: 100.6主动均衡BMS工程样机循环性能测试循环周期（cycle）放电容量（AH）X: 13Y: 95.43X: 1Y: 55.96X: 3Y: 56.24X: 4Y: 73.74X: 5Y: 90.96X: 6Y: 99.43X: 11Y: 95.61均衡关闭均衡开启：9A均衡关闭最小单体容量：98.03AHBMS室9/27/2021BMS室营销公司所列问题1.BMS如何做到均衡，希望能以硬件或者软件方面培训下工作