锂电池管理系统的研究与设计.pdf

科技论坛 锂电池管理系统的研究与设计 李林琳 1,2 邢顺涛 1 卞良初 3 （1、 长春工程学院 电信学院， 吉林 长春 1300122、 配电自动化工程研究中心， 吉林 长春 130012 3、 杭州青恩科技有限公司， 浙江 杭州 310030） 1 概述 电池管理系统(BMS)就是对电池进行实时监控的系统， 是联系 电池与用户之间的工具，主要管理对象是可重复充电电池。根据 IEEE 标准给出的定义：“电池管理系统包括工程、 设计、 应用以及扩 展的对电池系统的维修等， 来为以电能作为能源的系统达到最佳性 能” 。用户通过 BMS 了解电池的实际状况， 对电池进行有效的管理， 可以降低能量损耗。此外， 还可以提高电池系统的可靠性， 保障安 全。电动汽车作为新能源汽车的主要应用， 在全国各地轰轰烈烈的 开展起来， 而电动汽车最大的瓶颈就是动力电池， 对动力电池的实 时管理成为了一个难题和重要课题， 如何让动力电池能够高效运行 和延长使用寿命成为各电池厂和汽车厂的研究重点。 2 锂电池管理系统功能要求 锂电池的充放电的过程和充放电时的温度对其使用寿命有着 很大的影响。锂电池的充放电过程中受到譬如充放电的电压、 电流 等多种复杂因素的影响， 环境的温度对其也会影响电化学反应效果 的， 造成了充放电过程是一个非线性的不能预测的动态过程， 不能 使用简单的线性方程来计算充放电容量。同时， 电池内部材料的电 化学性能会随着电池的充放电次数增加而变化， 这就要求电池管理 系统必须能够检测到足够的电参数并且能对电池使用采取相应的 控制措施， 从而使得电池保持在最佳状态下工作。 因此， 锂电池 BMS 要实现以下几个功能： 2.1 电池 SOC 估算 准确估测动力电池组的荷电状态(SOC)， 即电池的剩余电量， 从 而保证 SOC 维持在合理范围内，防止由于过充或过放电对电池造 成损伤， 并且随时显示混合动力汽车储能电池剩余能量， 即储能电 池荷电的状态。锂电池的荷电状态是电池组的基本参数， 可以直接 反应锂电池的剩余容量。 SOC 的大小决定了电池组能够承受的放电 电流的最大值， 同时， 电池的故障也能在 SOC 上体现。 2.2 实时动态监测 在电池充放电过程中， BMS 实时采集锂电池组中每个电池单体 的电压、 温度、 充放电电流和电池组的总电压， 快速计算和控制充放 电回路，以防止电池单体或者整组发生过充电或过放电现象的出 现。同时能够通过通信总线实时把电池状况送到显示界面， 告知电 池的问题所在， 及时排除问题点， 保持电池组运行的可靠性和高效 性。另外， 通过 BMS 通信数据， 可以建立每组电池的使用历史档案 库， 为离线分析系统故障和提高电池估算能力提供依据。 为了能够比较精确的估算电池 SOC，通常会采用精度较高、 响 应快速和稳定性好的电流传感器来对电池充放电电流的进行实时 检测， 电流传感器的量程一般根据电池充放电最大电流来选择。 2.3 电池组内单体电池间的均衡 通过对电池组内某些单体的放电或者对某些单体的充电， 使电 池组中各个单体电池都达到均衡一致的状态。 如何安全可靠的实现 电池均衡管理是对电池管理研究的关键性技术， 也是难点所在。 2.4 电池故障保护 BMS 通过检测电池组内电压电流温度参数， 根据电池特性参数 分析并进行报警和保护动作， 保护电池是 BMS 的最初价值所在， 通 常需要对电池过充、 过放、 过流、 短路和温度过高过低进行报警和保 护， 使电池脱离主回路不再处于工作状态。 综上所述， 锂电池管理系统主要用于实时监测并指示电池工作 状况， 包括电池电压、 温度、 充放电电流、 剩余能量的实时监测， 并根 据这些数据实时做出故障分析， 发出报警信号， 根据规定策略断开 或者闭合主回路， 以保护电池从而实现延长电池使用寿命。 3 锂电池管理系统的方案设计 锂电池管理系统需要实现的功能复杂， 采集和处理的数据数量 巨大、 种类较多， 并要求快速、 准确地传输， 且对运算能力有较高的 要求。根据功能要求， 设计系统结构， 电池管理系统采用分布式结 构， 由一个主控模块和多个模块构成， 各模块之间通过 CAN 网络进 行通讯。 主控模块对电池组总电压、 总电流进行采集， 同时根据上传 的单体电压和温度参数判断系统是否故障。针对故障信息， 分级报 警， 并采取保护动作， 控制继电器的通断。 本设计采用集中控制， 分布采样和均衡管理的模式， 即硬件上 分为主控模块和均衡采集模块， 一个主控模块可以管理多个均衡采 集模块， 从而实现多种电压等级的组合管理。系统组成的原理框图 如图 1 所示。本方案具有结构简单， 可靠性高， 可方便扩展， 维护比 较方便等优点。如图 1 所示， BMS 系统包括了一个主控模块和多个 均衡采样模块， 另外保护控制部分包含了直流接触器 （或者继电器） K， 熔丝 F， 第一个采样均衡模块连接了一个霍尔传感器， 用于测量 主回路电流。 主控模块与均衡采样模块之间采用 CAN 通信连接， 扩 展方便。 本系统考虑外置 DC-DC 统一供电， 当电池长时间不工作时 可以关闭 BMS 电源， 减少电池耗电。 每个均衡模块负责管理最多 25 个单体的一箱电池组， 采集单体电压， 并实施组内单体电池均衡， 采 集两个温度点温度， 同时把信息上传给主控模块。主控模块根据设 置值控制是否启动均衡过程； 根据均衡采样模块采集的数据做出故 障判断； 根据均衡模块测量的电流， 综合计算电池组 SOC。 还具有过 欠压保护、 过温保护， 自动识别充电机是否在线， 可以控制充电机充 电。通过各部分的配合实现对电池组的有效管理。 4 结论 通过对锂电池管理系统功能研究， 本文提出带有主动均衡模块 的 BMS 的实现方法， 设计出兼顾电池均衡和使用方便性的 BMS。 该 系统包含采集、 均衡、 控制三部分。 可以根据用户需要选择分布式采 集、 集中控制， 也可以选择集中管理， 集成到一个设备内， 使用灵活 方便。锂电池组需要带有均衡功能的电池管理系统， 电池组保持均 衡状态对于延长电池的使用寿命有着重要意义。 参考文献 1李顶根,李竞成,李建林.电动汽车锂离子电池能量管理系统研究 J.仪器仪表学报,2007,28(8):1522-1527. 2郑文一等.动力电池组主动均衡方案研究J.电子测量与仪器学 报,2014,28(7):710-716. 摘要： 锂电池组的容量问题一直是制约其广泛使用的关键因素， 本文通过分析锂电池管理系统功能要求， 设计出带主动均衡充放 电模块的电池管理系统， 使锂电池组在充电后实现整组电池容量的最大化， 从而延长了锂电池的使用寿命。 关键词： 电池管理系统； 锂电池组； 主动均衡 图 1 BMS 系统原理框图 基金项目:吉林省教育厅科技项目(2014536 号):磷酸铁锂电池组动态均衡模块的研究与设计。 作者简介:李林琳(1977-),女,辽宁沈阳人,硕士,讲师,从事智能电网技术研究。 67