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BMS技術(shù)現狀分析(一)



為了保護電芯和整個(gè)電池包不受放熱反應的影響,需要一個(gè)電子**電路,即電池管理系統(BMS)。BMS重要的功能是**防護,使電池系統中電芯的電壓、溫度和電流不超過(guò)規定的極限。一般來(lái)說(shuō),BMS是一種模擬和/或數字電子設備,預期可達到以下主要目標和要求:

 

提高電池系統的**性和可靠性。

保護電芯和電池系統免受損壞。

提高電池的能量使用效率(增加續駛里程)。

延長(cháng)電池壽命。

 

基于以上要求可以派生出BMS的功能,這些功能可以分為五個(gè)領(lǐng)域:傳感和高壓控制、保護、接口、性能管理、診斷。

 

在一個(gè)集中的BMS中,電芯監控單元、模塊管理單元和包管理單元被整合到一個(gè)單一的印刷電路板,它處理BMS所需的所有任務(wù),并直接連接到電池。

 

在模塊化BMS拓撲結構中,模塊管理單元被劃分為多個(gè)單獨的實(shí)例,這些實(shí)例可以放置在靠近電池模塊的位置,從而降低了布線(xiàn)的復雜性。模塊化拓撲的另一個(gè)**變體是主從拓撲。在這里,從機的功能和元素被減少到小,與整個(gè)電池系統相關(guān)的功能只在主機上實(shí)現。

 

在本研究中,我們分析了29個(gè)不同制造商的40個(gè)商業(yè)BMS。39BMS改型中,有37種來(lái)自西歐、北美、日本或中國的制造商。其中只有一家位于澳大利亞,其余一家位于韓國。

 

分析發(fā)現這些產(chǎn)品中有18個(gè)具有集中的拓撲結構,有22個(gè)具有模塊化拓撲結構。此外,在22個(gè)模塊化BMS中,有20個(gè)旨在管理純電動(dòng)汽車(chē)的電池組,而18個(gè)集中系統中有13個(gè)只適用于200V及以下的應用。

 

盡管其中一些集中式BMS允許互連,從而建立更大的分布式拓撲,但高壓應用更可能由模塊化BMS組成,部分原因是與模塊化系統相比,在集中式系統中處理絕緣問(wèn)題更具挑戰性。日產(chǎn)Leaf360 V系統是個(gè)例外。然而,模塊化系統的一個(gè)缺點(diǎn)是需要大量的通信和電源電路,因此成本相對較高。

 

分析表明只有7個(gè)BMS沒(méi)有明確打算在BEVs中應用,因此它們不能在高壓下工作。此外,7個(gè)中有5個(gè)是集中拓撲結構。

 

在本研究中幾乎所有的BMS都至少使用一條CAN總線(xiàn)通信線(xiàn)路。CAN總線(xiàn)廣泛使用的原因可能是在汽車(chē)環(huán)境中易于與其他通常使用CAN通信的控制器連接。無(wú)線(xiàn)BMS可以用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )取代模塊之間的內部通信,具有潛在的優(yōu)勢包括減少組裝過(guò)程中的線(xiàn)束、連接器和布線(xiàn)工作。然而,無(wú)線(xiàn)BMS面臨的一個(gè)挑戰是汽車(chē)內部和外部實(shí)體電磁噪聲對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的干擾,可能會(huì )產(chǎn)生**問(wèn)題。

 

在研制BMS過(guò)程中,為了保證電池系統的**運行需要考慮多方面的因素。在過(guò)去的幾十年里,電氣和電子系統的硬件和軟件部分的開(kāi)發(fā)出現了**標準。

 

本研究考慮將ISO 26262標準“道路車(chē)輛-功能**”(源自通用工業(yè)標準IEC 61508)應用于BMS開(kāi)發(fā)。


 

引言

 

鋰離子電池存在的問(wèn)題

 

在過(guò)去的十年中,鋰離子電池在能量密度和成本方面的持續改進(jìn),使得鋰離子電池成為電動(dòng)汽車(chē)(EV)的優(yōu)選能源。根據全球電動(dòng)汽車(chē)展望2016年的報道,插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)電池包的能量密度從2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L,顯著(zhù)提高400%。另一方面,數據顯示同一時(shí)間段內成本從1000美元/千瓦時(shí)下降到268美元/千瓦時(shí),降幅高達78%。

 

在某些特定的情況下,整車(chē)廠(chǎng)宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成績(jì)。例如,通用汽車(chē)(General Motors)宣布,其雪佛蘭Bolt的電池成本在201510月降至145美元/千瓦時(shí),預計到2022年將降至100美元/千瓦時(shí)以下。另一家有名的純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)制造商特斯拉(Tesla)的目標是在2020年之前打破100美元/千瓦時(shí)的障礙。2022xEVs的實(shí)際目標:125美元/千瓦時(shí)、400 Wh/L250 Wh/kg,這將使新能源汽車(chē)實(shí)現對傳統內燃機汽車(chē)(ICEV)的成本競爭力,并具有****的續駛里程。

 

然而,盡管鋰離子電池技術(shù)在過(guò)去的十年中表現出色,主要是因為其良好的能量和功率密度,但它既不是一項成熟的技術(shù),也不是在所有可能的運行條件下都是**的。鋰離子化學(xué)非常容易受到溫度、過(guò)電壓、深放電和過(guò)電流等條件的影響,這些條件在實(shí)際應用中可能對電池造成損傷,因此鋰離子電池需要復雜的**管理技術(shù),此外隨著(zhù)能量密度提升電池的風(fēng)險越來(lái)越高。

 

隨著(zhù)研究的不斷深入,熱失控已被確定為鋰離子電池的主要**隱患。熱失控往往是在濫用的條件下造成的,例如過(guò)熱、深度放電、大倍率充電特別是低溫時(shí)的大倍率充電、大功率脈沖、擠壓,導致內部或者外部短路。在能源儲存系統中有效和**地利用,鋰離子技術(shù)除了易受極端使用條件下的影響外,還必須考慮如下因素:

 

為了給電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統提供所需的電壓和電流,許多鋰離子電池必須串聯(lián)或/和并聯(lián),因此需要確保高壓**和維護**。

 

鋰離子電池容量會(huì )隨著(zhù)使用壽命的延長(cháng)而衰減,內阻也會(huì )增加,這種現象被稱(chēng)為老化,有循環(huán)老化和日歷老化之分,周?chē)橘|(zhì)的溫度、電池包內溫度梯度都會(huì )影響老化過(guò)程。

 

串聯(lián)鋰離子電池在正常運行過(guò)程中老化特性的擴展,以及電池自放電速率的差異,導致電池電荷不均衡。這種不均衡降低了電池包的可用總容量,要么是因為電荷少的電芯決定了放電的結束(即使其他電池包中仍然存儲著(zhù)可用的能量),要么是因為電荷多的電池決定了充電過(guò)程的結束。忽略這兩種極端情況終會(huì )導致深度放電或過(guò)充,這可能導致熱失控現象的發(fā)生。更重要的是電池容量的降低將導致更頻繁的循環(huán)從而縮短電池壽命,因此需要均衡電池包中串聯(lián)電芯之間的電荷。

 

BMS相關(guān)研究課題

 

解決上文提到的問(wèn)題是BMS的永恒研究課題。文獻報道了電芯建模領(lǐng)域的發(fā)展,該模型能夠對電芯和電池包進(jìn)行有效監測。電芯監測主要關(guān)注電芯內部狀態(tài)的準確測定:荷電狀態(tài)(SOC)——衡量電池包實(shí)際能量含量和充電不均衡的主要指標;健康狀態(tài)(SOH)——基于電芯的容量或內阻,衡量電池的老化;或功能狀態(tài)(SOF)——描述電池在使用過(guò)程中如何滿(mǎn)足應用的需求,例如功率需求、起動(dòng)能力或充電接受能力等。此外,關(guān)于電芯均衡及其對電池壽命的影響的研究活動(dòng)在科學(xué)文獻中也被發(fā)現具有同等的相關(guān)性。

 

雖然目前在鋰離子電池中已經(jīng)投入了大量的努力來(lái)緩解上述問(wèn)題,但**性本身是一個(gè)至關(guān)重要的研究課題。大量的資源被用于實(shí)現正確理解和復現熱失控、鋰沉積、鋰枝晶產(chǎn)生、集流體溶解、產(chǎn)氣,以及環(huán)境和工況條件對上述現象的影響。目的是將當前先進(jìn)的被動(dòng)**管理轉變成一個(gè)能夠提前幾小時(shí)甚至幾天提供**和危害相關(guān)信息模型來(lái)保證車(chē)輛司機的**。當然,傳統的傳感策略——電芯電流、電壓和外部溫度在未來(lái)仍然不會(huì )被忽視。此外,還將考慮涉及電芯聲學(xué)和應變信息的新型傳感策略,以及基于電化學(xué)阻抗譜(EIS)的無(wú)傳感器內部溫度估計。

 

但**不僅包括分析和算法的實(shí)現、傳感策略和狀態(tài)估計(例如高電壓、電或熱管理),為了防止危險事件的發(fā)生,還包括采集、處理、存儲和數據通信,以及對專(zhuān)用傳感器和執行器的控制,如繼電器、預充和高壓互鎖電路、絕緣監測裝置等。

 

本文架構安排:

 

1、BMS概述、分類(lèi)和分析。將詳細揭示無(wú)論是模塊化的還是集中式的硬件中存在的拓撲結構,以及它們的特征、任務(wù)、優(yōu)缺點(diǎn)。

 

2、汽車(chē)BMS設計的功能**流程。將介紹與e-mobility電池管理系統相關(guān)的功能**標準化結果。特別關(guān)注的是ISO 26262標準的特性,以及在文獻中發(fā)現的將其應用于汽車(chē)BMS的方法。

 

3、電芯監測算法知識產(chǎn)權。將深入研究磚利中提出的電芯監測策略實(shí)施的理論基礎。

 

4、對電動(dòng)汽車(chē)BMS市場(chǎng)的概述。將涉及在世界各地運營(yíng)的相關(guān)汽車(chē)BMS制造商和供應商。

 

5、將說(shuō)明從對BMS的新情況分析中得出的一般性結論以及對今后活動(dòng)的建議。

 

6、將列出所使用的信息源的相關(guān)元數據,這些元數據用于分析BMS體系結構的新?tīng)顟B(tài)。


 

1、BMS概述、分類(lèi)和分析

1.1 BMS功能和設計

 

從電芯到電池包

 

與內燃機車(chē)的汽油或柴油油箱不同,鋰離子蓄電池在密封的容器中同時(shí)含有氧化劑(陰極)和燃料(陽(yáng)極)。在正常情況下,燃料和氧化劑以可控的方式將化學(xué)能轉化為電能,并且產(chǎn)熱和產(chǎn)氣都小。然而在發(fā)生故障的情況下,或者如果電池在規定的極限(溫度、電壓和電流)之外運行,反應會(huì )很快失控并放熱。這可能導致熱失控,這是一個(gè)不可逆的過(guò)程,更多的熱量被直接釋放,而不是從電池外殼擴散。這一過(guò)程可能導致火災和爆炸,并將環(huán)境置于顯著(zhù)的風(fēng)險中。

 

鋰離子蓄電池有三種不同的結構類(lèi)型:袋式軟包電池、圓形電池和方形硬殼電池。在電芯的制造過(guò)程中,使用了不同的電芯化學(xué)成分、材料和添加劑。這些因素影響超出其規格限制時(shí)電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規格極限,老化過(guò)程就越快,電池的壽命就越短。

 

電芯的規范限制是不同的,充電結束電壓因所用的正極和負極材料而異。對于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池,放電結束電壓為2.5 V,充電結束電壓為4.2 V,均由電池化學(xué)性質(zhì)決定。相比之下,石墨/磷酸鐵鋰(LiFePO4)的充電電壓只有3.7 V。此外,充電和溫度的規格限制因不同的電芯類(lèi)型和電芯化學(xué)性質(zhì)而異,并取決于電芯的生產(chǎn)過(guò)程,特別是功率型和能量型電芯。電池的電流負載取決于所用的添加劑、隔膜、陰極的鈷含量以及電池中的電流導體。

 

根據應用的不同,可以使用單個(gè)電芯,也可以在模塊中串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)電芯。為了提高電壓,可將電芯串聯(lián),為了提高容量,可電芯并聯(lián)為超級電芯,也可以并聯(lián)幾個(gè)模塊,電芯串并聯(lián)之后被稱(chēng)為電池系統或電池包。在電池包中,連接可以是純串聯(lián)的,也可以是純并聯(lián)的,也可以是串并聯(lián)的,電壓水平和容量可以適應應用的具體要求,如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)、純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)或固定存儲應用。

 

國際標準ISO 6469-3將高壓范圍定義為直流電壓為60V – 1500V,交流電壓為30V – 1000V(即B類(lèi)電壓),要在這一高壓范圍內開(kāi)展工作,需要有專(zhuān)門(mén)的培訓和證書(shū)。因此電池模塊的設計通常是一個(gè)模塊的總電壓小于60V,使得電壓A類(lèi)。這使得在生產(chǎn)和運輸過(guò)程中無(wú)需采取高成本的**措施就可以處理模塊。

 

綜上所述,電池可以看作是由電芯、模組、電池包三層組成的層次結構:

 

電芯:基本元素,鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)使其電壓約為3V4V;

模塊:串聯(lián)和/或并聯(lián)的集合,電壓通常小于60V;

電池包:由模塊串聯(lián)或并聯(lián)構成,電壓可達1000 V。

 

BMS需求和功能

 

BMS*重要的任務(wù)**功能,即使電池系統中的電芯在電壓、溫度和電流方面不超過(guò)規定的極限,電芯的這些規范限制通常稱(chēng)為其**操作區域(SOA)。

 

一般來(lái)說(shuō),BMS是一種模擬和/或數字電子設備,符合以下基本要求:

 

數據采集。

數據處理和數據存儲。

電氣管理。

溫度管理。

**管理。

通信。

 

對于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),BMS的關(guān)鍵目標和要求如下:

 

提高電池系統的**性和可靠性。

保護電芯和電池系統免受損壞。

提高電池的能源使用效率(提高續駛里程)。

延長(cháng)電池壽命。

 

前兩項是**要求,后兩項是使用要求。

 

可以從這些需求派生出BMS的各個(gè)功能,這些功能可以分為以下五個(gè)方面:

 

①檢測和控制:BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障,控制接觸器和熱管理系統。

 

②保護:BMS必須包括電子和邏輯,以警告或保護電池供電系統和電池包的操作員,通過(guò)附加的冷卻或加熱系統防止過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)電流、電池短路和極端溫度。

 

③接口:BMS必須定期與使用電池包作為電源的應用通信,報告可用的能量和功率,以及電池包狀態(tài)的其他指標。此外,它必須在長(cháng)久內存中記錄異常錯誤或濫用事件,以便技術(shù)人員通過(guò)偶爾的按需下載進(jìn)行診斷。

 

④性能管理:BMS必須能夠估計充電狀態(tài)(SOC),好是對電池包中的所有電芯進(jìn)行估計,計算電池包的可用能量和功率限制,并均衡電池包中的電芯。

 

⑤診斷:后BMS必須能夠估計健康狀態(tài)(SOH),包括檢測濫用,并且可能需要估計電芯和電池包的剩余使用壽命。

 



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