解析电动汽车锂电池BMS系统

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。

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：

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。

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：

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