电池管理系统国内外现状和未来发展趋势

1、海外电池管理系统现状及未来发展趋势一、简介目前，影响电动汽车推广应用的主要因素是动力电池的安全性和使用成本。延长电池寿命是降低运营成本的有效途径之一。为了保证良好的电池性能，延长电池寿命，需要对电池进行合理有效的管理和控制。例如，日本青森工业高中从 1997 年开始研究（BMS）的实际应用1，美国维拉诺瓦大学和 Nanocorp 一直致力于基于模糊逻辑预测各种类型的电池 SOC。与我们合作多年。 2；丰田、本田和通用汽车都专注于 BMS 进行技术开发。我国启动了“十一五”电动汽车大型专项研究计划。经过几年的发展，BMS取得了接近国外标准的巨大进步。 2005年理科大学国家863计划首批系列科研

2、项目EQ7200 HEV混合动力汽车镍氢电池组及管理模块及EQ6110 HEV混合动力汽车大功率镍氢神州公司城市客车动力电池及其管理模块、电池车用星恒大功率燃料锂离子动力电池组及其管理系统、解放牌混合动力城市客车锂离子电池及其管理模块、有色金属合成实验室。此外，还有多能源动力总成控制系统和DC/DC转换器等相关课题。 2. BMS的基本结构BMS的主要工作原理可以简单概括如下。数据采集电路首先采集电池状态信息数据，然后由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，再对分析结果和系统相关功能模块进行分析。发出控制命令并向外界致信息。基于以上原理，托莱多大学提出了典型BMS的基本结构图（图1）3。这

3、个典型的系统将 BMS 简化为两部分。它是一个均衡器 (EQU)，用于均衡 ECU 和电池之间的充电水平。 ECU的任务主要包括四个功能：数据采集、数据处理、数据传输和控制。 ECU 还控制电池维护设备，例如均衡器和汽车充电器。 图 2 显示了物理与先进工程研究所 4 开发的 BMS 系统的配置和逻辑关系。该系统扩展了上述结构的功能。也就是说，添加一个热管理系统、一个安全设备和一个充电系统来与您的 PC 进行通信。此外，加强与电机控制器的通讯链接，实现能量制动反馈和最大输出控制。 图3为该校研发的电动汽车（EV23）采用的集中式BMS结构示意图。 BMS系统最大的优点是采用了电压隔离开关矩阵，

4、提高了数据采集的可靠性和系统的安全性。其多个隔离的数字和模拟信号输入输出通道，不仅可以让您根据自己的需求灵活使用，还可以有效增强系统的抗干扰能力。目前，国外正在开展基于智能电池模块（SBM）的BMS研究。微控制器安装在电池模块上，相关电路集成封装，多个智能电池模块组合.连接控制模块并添加其他辅助设备，形成基于电池的智能管理系统。 BMS成功地实现了每个电池模块的状态监测、模块电池单体平衡和电池保护功能5。美国美光公司研制的军用电动车BMS就是采用这种结构6。 3. BMS功能组件概述目前基于国外研究工作设计的电动汽车BMS通常包括以下功能组件7：数据采集、剩余容量（SOC）：估算、电气控制（充

5、放电控制、均衡充电、等）、热管理、安全管理、数据通信。 (1) 数据采集在BMS中，采集的数据是对电池进行合理有效管控的基础。因此，数据准确性、采样频率和数据过滤非常重要。考虑到电压、电流和温度的动态特性，采样频率通常应至少为每秒一次7。锂离子电池安全性要求高，对电压敏感。需要采集每个电池的电压并监测每个电池的温度。 NiMH 和铅酸电池不需要与锂离子电池相同的高电压和温度采集精度。为了简化BMS的结构，电压和温度可以成对或成组获得。例如，参考文献中开发的 Ni-MH BMS。 8 为每个由 10 个单节电池组成的电池组设置五个电压测量点。另一方面，对于温度测量，每个电池组设置一个测量点。(2

6、) 估算SOC 确定电池电量(SOC) 是BMS 的一个重要而困难的部分。由于使用中的电动汽车电池的高度非线性特性，准确估计 SOC 非常困难。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、电阻法和安时法。近年来，开发了许多新的电池SOC算法，如模糊逻辑算法模型2、自适应神经模糊推理模型9、卡尔曼滤波器估计模型算法10、新的线性模型方法等。阻抗谱11。 开路电压法适用于测试电池处于稳定状态的SOC，不宜在电动汽车运行时单独使用。开路电压法通常用作其他算法的补充11。电阻法是根据电池电阻与 SOC 之间的关系来预测 SOC。但电池的内阻受多种因素影响，测量结果容易受到干扰，可靠性不高。此外，这种方法更复

7、杂，计算成本更高，因此难以在实践中应用12。安时法可让您对电池的能量输出或电池的输入能量进行积分记录，并根据充放电的初始SOC状态计算电池的SOC。这种方法是最直接、最直接、最简单、最容易实现的。它在短时间内精度很高，但长时间工作时累积误差会增加10-11。 在实践中，安时法是最常用的方法，应与安时电阻法、安培-皮克特方程、安时开路电压等其他方法结合使用。 13。这些组合算法通常比单独的安培小时方法更准确。由于各种智能算法和新算法的不成熟，一些复杂的算法在单片机系统中难以实现，在实际应用中很少见，但这是未来发展的方向。 . 为了更准确地估算SOC，算法中需要考虑温度补偿、自放电、电池老化等诸多

8、因素。例如，亚洲国立大学和先进工程研究所的研究人员在 SOC 估算中估算了电池的实际可用容量（包括温度因素）、自放电率以及电池老化对容量的影响。我想过这个问题。我们开发了镍氢电池并提出了 SOC。公式5为： SOC（%）=100%（额定容量+容量补偿系数+自放电效应+老化效应-放电容量+充电容量）/额定容量， SOC推算精度为3%。 (3) 电气控制 德国的 Jossen A 等研究人员发现，电气控制需要实现包括充电过程控制在内的功能，包括充电均衡、SOC、电池健康（SOH）和温度相关的放电电流。包括7。在电气控制中，需要结合所使用的电池技术和电池类型，将控制充放电的算法逻辑设置为充放电控制的

9、标准。在BMS中，均衡计费是一个非常重要的环节。动力电池通常由多个大容量单体电池串联而成。然而，单体电池之间的不一致会降低电池组的使用水平，严重影响电动汽车的性能，危及电动汽车的安全14。例如，该校研发的EV23，在不进行均衡充电的情况下，经过多次充放电后，10个单节镍氢电池组之间的最大电压差约为2V。 . 有许多用于平衡费用的方案。首先，必须考虑电路的复杂性和平衡效率。美国托莱多大学的 BMS 15 中使用了集中式非耗散选择性升压均衡器。解决方案是通过控制继电器网络的切换来平衡选定的单个电池的电荷。硬件设备比独立天平简单，但效率相对较低。 BFC6100EV是科大研发的电动公交车，采用电池组

10、均衡充电保护系统方案，实现了同化充电和电池保护的综合应用16。4)电池本身，尤其是锂离子电池，如果过度充电，可能会起火或爆炸。因此，电池安全是国外各大车企和科研院所关注的问题。我们目前面临并需要解决。这直接影响到电动汽车的普及。在安全方面，BMS主要侧重于电池对高电压和大电流泄漏的保护。所需的功能是过压和过流控制、过放电控制、过热预防和碰撞。关闭电池没有 这些功能可以与电气控制和热管理系统相结合。许多系统都增加了特殊的电池保护电路和电池保护芯片。例如，在 Ref 的 BMS 中。 5，智能电池模块的电路设计还具有断开单个电池的能力。安全管理系统中最重要的是准确掌握电池状态信息，并在出现异常情况

11、时发出报警信号或断开电路，以防事故发生。 (5)热管理电池，如铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等，根据温度不同工作方式不同。最佳工作温度为25-40 。随着温度的变化，电池的SOC、开路电压、电阻、可用能量都会发生变化，这也会影响电池的寿命。温度差异也是导致电池平衡问题的原因之一。美国国家可再生能源研究所的 Ahmad A. Pesaran 指出，热管理系统的主要任务是使电池在适当的温度范围内运行，并减少单个电池模块之间的温差 17 .通过使用车载空调，可以控制电池温度，这也是电动汽车常用的温度控制方式。 (6)数据通信数据通信是BMS的重要组成部分之一。在BMS中，目前的数据通信方式主要采用C

12、AN总线通信方式。清华大学和清华大学联合开发的BMS在各个模块之间使用CAN网络，另一个用于通信和显示模块的CAN通信接口连接到车辆CAN通信网络18。在同济大学开发的测试中，燃料电池电动汽车有2个以上的BMS，子模块采用LIN总线通信，与整车通信采用CAN总线方式19。 使用智能电池模块时，可以选择使用无线通讯或通过电力载波与主控器通讯。这两种通信方式都可以降低BMS的布线复杂度和电动车部门的电路复杂度，但可靠性和抗干扰能力不如CAN总线。另外，每个BMS基本上都有与电脑的通讯接口，方便在电脑上分析电池数据信息。四、BMS未来的研究方向和发展趋势与电机、电机控制技术、电池技术相比，BMS还不是很成熟20。 BMS作为电动汽车最重要的技术之一，近年来得到了显着提升，在很多方面都进入了实用阶段，但尤其是采集数据的可靠性和SOC估计精度并不完美。部分。安全管理等方面有待进一步完善和完善。 (1) BMS设计存在以下技术问题。需要采集的数据量大，准确率高。电池状态的非线性变化极大地限制了SOC的预测精度。内部电路复杂，安全性低，抗干扰能力差。 （2）根据BMS的功能需求和当前的研究问题，把握电池状态变化规律，使用更有效的方法，使用更合适的算