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    鋰電管理系統的關鍵技術

      一個典型的動力電池管理系統具體都需要關注哪些功能呢?今天翻譯整理了一篇文章,一起看看BMS的關鍵技術。

      電池管理系統,BMS(Battery Management System),是叉車動力電池系統的重要組成。

      它一方面檢測收集并初步計算電池實時狀態參數,并根據檢測值與允許值的比較關系控制供電回路的通斷;另一方面,將采集的關鍵數據上報給整車控制器,并接收控制器的指令,與車輛上的其他系統協調工作。電池管理系統,不同電芯類型,對管理系統的要求往往并不一樣。

      那么,一個典型的動力電池管理系統具體都需要關注哪些功能呢?今天翻譯整理了一篇文章,一起看看BMS的關鍵技術。

      電池管理系統定義

      電池管理系統的主要任務是保證電池系統的設計性能,可以分解成如下三個方面:

      1)安全性,保護電池單體或電池組免受損壞,防止出現安全事故;

      2)耐久性,使電池工作在可靠的安全區域內,延長電池的使用壽命;

      3)動力性,維持電池工作在滿足車輛要求的狀態下。

      一個典型的動力電池管理系統,需要實現哪些功能?

      BMS由各類傳感器、執行器、控制器以及信號線等組成,為滿足相關的標準或規范,BMS應該具有以下功能。

      1)電池參數檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(防止出現過充、過放甚至反極現象)、溫度檢測(好每串電池、關鍵電纜接頭等均有溫度傳感器)、煙霧探測(監測電解液泄漏等)、絕緣檢測(監測漏電)、碰撞檢測等。

      2)電池狀態估計。包括荷電狀態(SOC)或放電深度(DOD)、健康狀態(SOH)、功能狀態(SOF)、能量狀態(SOE)、故障及安全狀態(SOS)等。

      3)在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號,采用診斷算法診斷故障類型,并進行早期預警。

      電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統的傳感器故障、執行器故障(如接觸器、風扇、泵、加熱器等),以及網絡故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等。

      4)電池安全控制與報警。包括熱系統控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后,通過網絡通知整車控制器,并要求整車控制器進行有效處理(超過一定閾值時BMS也可以切斷主回路電源),以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害。

      5)充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊,它能夠根據電池的特性、溫度高低以及充電機的功率等級,控制充電機給電池進行安全充電。

      6)電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中小單體的容量。電池均衡是根據單體電池信息,采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式,盡可能使電池組容量接近于小單體的容量。

      7)熱管理。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求,決定主動加熱/散熱的強度,使得電池盡可能工作在適合的溫度,充分發揮電池的性能。

      8)網絡通訊。BMS需要與整車控制器等網絡節點通信;同時,BMS在車輛上拆卸不方便,需要在不拆殼的情況下進行在線標定、監控、自動代碼生成和在線程序下載(程序更新而不拆卸產品)等,一般的車載網絡均采用CAN總線技術。

      9)信息存儲。用于存儲關鍵數據,如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數、故障碼和一致性等。車輛中的真實BMS可能只有上面提到的部分硬件和軟件。每個電池單元至少應有一個電池電壓傳感器和一個溫度傳感器。

      對于具有幾十個電池的電池系統,可能只有一個BMS控制器,或者甚至將BMS功能集成到車輛的主控制器中。對于具有數百個電池單元的電池系統,可能有一個主控制器和多個僅管理一個電池模塊的從屬控制器。

      對于每個具有數十個電池單元的電池模塊,可能存在一些模塊電路接觸器和平衡模塊,并且從控制器像測量電壓和電流一樣管理電池模塊,控制接觸器,均衡電池單元并與主控制器通信。根據所報告的數據,主控制器將執行電池狀態估計,故障診斷,熱管理等。

      10)電磁兼容。由于電動車使用環境惡劣,要求BMS具有好的抗電磁干擾能力,同時要求BMS對外輻射小。電動汽車BMS軟硬件的基本框架如圖2所示。

      BMS的關鍵問題

      盡管BMS有許多功能模塊,本文僅分析和總結其關鍵問題。目前,關鍵問題涉及電池電壓測量,數據采樣頻率同步性,電池狀態估計,電池的均勻性和均衡,和電池故障診斷的準確測量。

      1、電池電壓測量(CVM)

      電池電壓測量的難點存在于以下幾個方面:

      1)電動汽車的電池組有數百個電芯的串聯連接,需要許多通道來測量電壓。由于被測量的電池電壓有累積電勢,而每個電池的積累電勢都不同,這使得它不可能采用單向補償方法消除誤差。

      2)電壓測量需要高精度(特別是對于C / LiFePO 4 電池)。SOC估算對電池電壓精度提出了很高的要求。這里我們以C / LFP和LTO / NCM型電池為例。

      圖3顯示了電池C / LiFePO 4 和LTO / NCM 的開路電壓(OCV)以及每mV電壓對應的SOC變化。從圖中我們可以看到LTO / NCM的OCV曲線的斜率相對陡峭,且大多數SOC范圍內,每毫伏的電壓變化對應的大SOC率范圍低于0.4%(除了SOC 60~70%)。

      因此,如果電池電壓的測量精度為10mV,那么通過OCV估計方法獲得的SOC誤差低于4%。因此,對于LTO / NCM電池,電池電壓的測量精度需要小于10 mV。

      但C / LiFePO 4OCV曲線的斜率相對平緩,并且在大多數范圍內(除了SOC < 40%和65 ~80%),每毫伏電壓的大相應SOC變化率達到4%。因此,電池電壓的采集精度要求很高,達到1 mV左右。

      目前,電池電壓的大部分采集精度僅達到5 mV。目前,電池的電壓和溫度采樣已形成芯片產業化,表1比較了大多數BMS所用芯片的性能。

      2、數據采樣頻率同步性

      信號的采樣頻率與同步對數據實時分析和處理有影響。設計BMS時,需要對信號的采樣頻率和同步精度提出要求。但目前部分BMS設計過程中,對信號采樣頻率和同步沒有明確要求。

      電池系統信號有多種,同時電池管理系統一般為分布式,如果電流的采樣與單片電壓采樣分別在不同的電路板上;信號采集過程中,不同控制子板信號會存在同步問題,會對內阻的實時監測算法產生影響。同一單片電壓采集子板,一般采用巡檢方法,單體電壓之間也會存在同步問題,影響不一致性分析。

    鋰電池充電

      系統對不同信號的數據采樣頻率和同步要求不同,對慣性大的參量要求較低,如純電動車電池正常放電的溫升數量級為1℃/10 min,考慮到溫度的安全監控,同時考慮BMS溫度的精度(約為1℃),溫度的采樣間隔可定為30 s(對混合動力電池,溫度采樣率需要更高一些)。

      電壓與電流信號變化較快,采樣頻率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知,動力電池的歐姆內阻響應在ms級,SEI膜離子傳輸阻力電壓響應為10 ms級,電荷轉移(雙電容效應)響應為1~10 s級,擴散過程響應為min級。

      目前,電動車加速時,驅動電機的電流從小變化到大的響應時間約為0.5 s,電流精度要求為1%左右,綜合考慮變載工況的情況,電流采樣頻率應取10~200 Hz。單片信息采集子板電壓通道數一般為6 的倍數,目前多為24 個。

      一般純電動乘用車電池由約100 節電池串聯組成,單體電池信號采集需要多個采集子板。為了保證電壓同步,每個采集子板中單體間的電壓采樣時間差越小越好,一個巡檢周期好在25 ms內。子板之間的時間同步可以通過發送一幀CAN參考幀來實現。數據更新頻率應為10 Hz以上。

      包括電池狀態包括SOH(健康狀態估計)、SOS(安全狀態估計)、SOF(功能狀態估計)及SOE(可用能量狀態估計)。這些功能是期望BMS具備的,但實際應用中,出于客戶要求、車型要求以及成本等等的考慮,實際設計到系統中的可能只是其中的幾個。

      3、電池狀態估計

      電池狀態包括電池溫度、SOC(荷電狀態估計)、SOH(健康狀態估計)、SOS(安全狀態估計)、SOF(功能狀態估計)及SOE(可用能量狀態估計)。

      電池溫度估計是其他狀態估計的基礎,SOC 估計受到SOH 的影響,SOF 是由SOC、SOH、SOS 以及電池溫度共同確定的,SOE 則與SOC、SOH、電池溫度、未來工況有關。

      3.1 電池溫度估計

      溫度對電池性能影響較大,目前一般只能測得電池表面溫度,而電池內部溫度需要使用熱模型進行估計。常用的電池熱模型包括零維模型(集總參數模型)、一維乃至三維模型。

      零維模型可以大致計算電池充放電過程中的溫度變化,估計精度有限,但模型計算量小,因此可用于實時的溫度估計。一維、二維及三維模型需要使用數值方法對傳熱微分方程進行求解,對電池進行網格劃分,計算電池的溫度場分布,同時還需考慮電池結構對傳熱的影響(結構包括內核、外殼、電解液層等)。一維模型中只考慮電池在一個方向的溫度分布,在其他方向視為均勻。二維模型考慮電池在兩個方向的溫度分布,對圓柱形電池來說,軸向及徑向的溫度分布即可反映電池內部的溫度場。二維模型一般用于薄片電池的溫度分析。三維模型可以完全反映方形電池內部的溫度場,仿真精度較高,因而研究較多。

      但三維模型的計算量大,無法應用于實時溫度估計,只能用于在實驗室中進行溫度場仿真。為了讓三維模型的計算結果實時應用,研究人員利用三維模型的溫度場計算結果,將電池產熱功率和內外溫差的關系用傳遞函數表達,通過產熱功率和電池表面溫度估計電池內部的溫度,具有在BMS中應用的潛力。圖5所示為電池內部溫度的估計流程。

      一般地,鋰離子電池適宜的工作溫度為15~35℃,而電動汽車的實際工作溫度為-30~50℃,因此須對電池進行熱管理,低溫時需要加熱,高溫時需要冷卻。熱管理包括設計與控制兩方面,其中,熱管理設計不屬于本文內容。

      溫度控制是通過測溫元件測得電池組不同位置的溫度,綜合溫度分布情況,熱管理系統控制電路進行散熱,熱管理的執行部件一般有風扇、水/油泵、制冷機等。

      比如,可以根據溫度范圍進行分檔控制。Volt插電式混合動力電池熱管理分為3種模式:主動(制冷散熱)、被動(風扇散熱)和不冷卻模式,當動力電池溫度超過某預先設定的被動冷卻目標溫度后,被動散熱模式啟動;而當溫度繼續升高至主動冷卻目標溫度以上時,主動散熱模式啟動。

      3.2 荷電狀態(SOC)估計

      SOC(State of Charge),可用電量占據電池大可用容量的比例,通常以百分比表示,100%表示完全充電,0%表示完全放電。

      這是針對單個電池的定義,對于電池模塊(或電池組,由于電池組由多個模塊組成,因此從模塊SOC計算電池組的SOC就像電池電池單體SOC估計模塊SOC一樣),情況有一點復雜。在SOC估計方法的后一節討論。

      目前,對SOC 的研究已經基本成熟,SOC 算法主要分為兩大類,一類為單一SOC 算法,另一類為多種單一SOC 算法的融合算法。

      單一SOC 算法包括安時積分法、開路電壓法、基于電池模型估計的開路電壓法、其他基于電池性能的SOC估計法等。融合算法包括簡單的修正、加權、卡爾曼濾波(或擴展卡爾曼濾波)以及滑模變結構方法等。

      1)放電測試方法

      確定電池SOC的可靠方法是在受控條件下進行放電測試,即指定的放電速率和環境溫度。這個測試可以準確的計算電池的剩余電量SOC,但所消耗的時間相當長,并且在測試完畢以后電池里面的電量全部放掉,因此這個方法只在實驗室中用來標定驗證電池的標稱容量,無法用于設計 BMS做車輛電池電量的在線估計。

      2)安時積分法

      安時積分計算方法為:

      一個典型的動力電池管理系統,需要實現哪些功能

      式中,SOC 為荷電狀態;SOC0為起始時刻(t0)的荷電狀態;CN為額定容量(為電池當時標準狀態下的容量,隨壽命變化);η為庫侖效率,放電為1,充電小于1;I 為電流,充電為負,放電為正。

      在起始荷電狀態SOC0比較準確情況下,安時積分法在一段時間內具有相當好的精度(主要與電流傳感器采樣精度、采樣頻率有關)。

      但是,安時積分法的主要缺點為:起始SOC0影響荷電狀態的估計精度;庫侖效率η受電池的工作狀態影響大(如荷電狀態、溫度、電流大小等),η難于準確測量,會對荷電狀態誤差有累積效應;電流傳感器精度,特別是偏差會導致累計效應,影響荷電狀態的精度。因此,單純采用安時積分法很難滿足荷電狀態估計的精度要求。

      3)開路電壓(OCV)法

      鋰離子電池的荷電狀態與鋰離子在活性材料中的嵌入量有關,與靜態熱力學有關,因此充分靜置后的開路電壓可以認為達到平衡電動勢,OCV 與荷電狀態具有一一對應的關系,是估計荷電狀態的有效方法。

      但是有些種類電池的OCV 與充放電過程(歷史)有關,如LiFePO4/C電池,充電OCV與放電OCV 具有滯回現象(與鎳氫電池類似),并且電壓曲線平坦,因而SOC估計精度受到傳感器精度的影響嚴重,這些都需要進一步研究。

      開路電壓法大的優點是荷電狀態估計精度高,但是它的顯著缺點是需要將電池長時靜置以達到平衡,電池從工作狀態恢復到平衡狀態一般需要一定時間,與荷電狀態、溫度等狀態有關,低溫下需要數小時以上,所以該方法單獨使用只適于電動汽車駐車狀態,不適合動態估計。

      4)基于電池模型的開路電壓法

      通過電池模型可以估計電池的開路電壓,再根據OCV 與SOC 的對應關系可以估計當前電池的SOC。等效電路模型是常用的電池模型。

      對于這種方法,電池模型的精度和復雜性非常重要。華等人收集了12個常用等效電路模型,包括組合模型,Rint模型(簡單模型),具有零狀態滯后模型的Rint模型,具有單態滯后模型的Rint模型,具有兩個低通濾波器增強型自校正(ESC)模型,具有四個低通濾波器的ESC模型,一階RC模型,一個狀態滯后的一階RC模型,二階RC模型,具有單態滯后的二階RC模型,三階RC模型和具有單態滯后的三階RC模型。

      電化學模型是建立在傳質、化學熱力學、動力學基礎上,涉及電池內部材料的參數較多,而且很難準確獲得,模型運算量大,一般用于電池的性能分析與設計。



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