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动力电池BMS组成及安全功能解析

作者:中国储能网新闻中心 来源:动力电池技术 发布时间:2020-03-23 浏览:

动力电池管理系统(Battery Management System,缩写BMS),电动汽车动力电池包的低压管理系统,在整个电动汽车上的位置如下图所示:

BMS在整车系统中的位置

我们看到,电池管理系统和动力电池组一起组成电池包整体。与电池管理系统有通讯关系的两个部件,整车控制器和充电机。电池管理系统,向上,通过CANbus与电动汽车整车控制器通讯,上报电池包状态参数,接收整车控制器指令,配合整车需要,确定功率输出;向下,监控整个电池包的运行状态,保护电池包不受过放、过热等非正常运行状态的侵害;充电过程中,与充电机交互,管理充电参数,监控充电过程正常完成。

BMS组成

电池管理系统,总的来说,都是由主控模块和采集模块或者叫从控模块共同构成的。单体电压采集、温度采集和均衡功能一般分配在从控模块上;总电压,总电流的采集,内外部通讯,故障记录,故障决策,都是主控模块的功能。

BMS功能结构

按照采集模块和主控模块在实体上的分配布置不同,BMS分为集中式和分布式两种。

1 集中式

形式上,整个管理系统安置在一个盒体里。全部电压,温度,电流采集信号线,直接连接到控制器上。采集模块和主控模块的信息交互在电路板上直接实现。这种形式一般用在总体电压比较低,电池串数比较少的小型车上。

可取之处在于,省去了从板,进而省去了主板从板之间的通讯线束和接口,造价低,信号传递可靠性高。

缺点也很明显,全部线束都直接走线到控制盒,无论控制器布置在什么位置,总有一部分线束会跑长线。信号受到干扰的几率增加,线束质量和制作水平以及固定方式也受到考验。

2 分布式

一个主控盒和几个从控盒共同组成。主控盒只接入通讯线,主控负责采集的信号线,给从板提供的电源线等必须的线束。从控盒,布置在自己负责采集温度、电压的电池模组附件,把采集到的信号通过CAN线报告给主控模块。有的电池模组,直接把电压、温度采集线做在模组内部,用一个线对线连接器引出。电池包组装时,直接对插连接器即可。

分布式,主要应用于高电压系统,电池串数多,或者商用车这种一辆车上布置几个电池箱的情况。

这样的设计,确实带来了成本的小幅提高。但同时减少了线束应用,降低了现场接线工作量,也就降低了接线错误的几率。分布式,是适合于大批量,自动化生产的设计形式。


BMS功能

1 从控模块功能

从控模块,一般只具备电压、温度采集功能和均衡功能。由于电池系统要求的功能越来越多,也有厂家开始给从板添加控制功能,例如增加接触器触发端口,用以控制分布在从板附近的电器,像加热器、灭火器之类。

均衡功能,作为从板反作用于电池包,起到优化电池系统功能的一项能力需要多说一句。

均衡,分为主动均衡和被动均衡。

所谓主动均衡,是能量的转移,基于削峰填谷的理念。具体的实现形式多种多样,有用变压器将总能量部分的转移到电压偏低的电池上的,也有利用电容电感等储能器件,从电压高的电芯放出一部分能量,再充入电压低的电芯。

所谓被动均衡,是能量的消耗,把电压高的电芯接入电阻回路,让多出来的电量消耗在电阻上。

二者各有优劣之处。

主动均衡,可以做到比较大的电流,均衡的效果比较明显;能量只是转移了一下,没有消失,是一种节能的工作方式。但主动均衡需要的变压器、电容、电感等器件,体积比较大,造价比较高,使得理论上具备优势的主动均衡策略至今还没有得到普遍的应用;

被动均衡,受电阻发热的限制,均衡电流无法做的太大,故而效果不是特别理想。但优势在于,体积小,系统结构简单,造价低。在产品要求不是特别高的场合,客户反而会选择被动均衡系统,以提高产品性价比。同时,通过每隔一段时间,对电芯进行维护,来解决均衡不充分造成的电池压差偏大问题。

2 主控模块功能

不同厂家设计的功能略有差距,并且随着技术的发展和市场对电池管理系统要求的提高,一些功能逐渐被增加进来。

监测采集方面的功能:电池包总体参数采集和计算,比如总电流,总电压,最高最低单体电压,最高最低温度点温度,绝缘情况。

电池包状态估计和管理:荷电状态SOC,健康状态SOH,安全状态SOF,功率状态SOP,功能状态SOF,以及热管理等等。

SOC,当前电池荷电量占当前总体可用容量的百分比,表征当前剩余电量的多少,反应在车辆仪表盘上可能变成了剩余里程数。

SOH,各家定义略有不同,主流是按照当前电池包总容量占新电池初始容量的百分比,表征电池包老化程度的一个重要参数。实际上,国标要求的动力电池退役指标,就是按照容量特征来定义的。

SOP,动力电池的放电能力,随着SOC的降低,以及环境温度的变化,会有所不同。剩余电量太少,温度过高或者过低,电池包都需要降低功率工作,以保护电池不受不可逆的损伤,避免发生热失控事故。

SOF,是个比较新的概念,由SOC和SOH共同确定,如下图。

SOF示意图

目前主流的大家都在做的是SOC,随着加入电动汽车生产竞争行列的厂家越来越多,市场越来越成熟,安全和性能的要求也会日益提高。其他几个有用的状态估计,应该会逐渐成为BMS算法设计的必选项。

热管理

前面几个功能都是对电池包当前状态的反应,而热管理功能,则使得电池管理系统能够对电池包施加主动作用。电池温度过高时,热管理系统开动冷却功能,电池温度过低无法启动行车时,热管理系统开动加热功能。对于主控模块,热管理只是一套算法和几个接触器控制端口。热管理技术含量,主要集中在冷却加热设备以及与之匹配的冷却出现冷凝水、风冷解决密封等级等等具体问题上。

具备热管理功能,对整个电池系统意义重大,是设计者能够阻止热失控发生的重要手段,是从设计上保障动力电池安全和延长使用寿命的不二法门。

绝缘监测

实时监测电池包系统的绝缘情况,由于对电气系统的影响重大,绝缘故障被定义为级别最高的故障类型。

动力电池包使用安全

1 正常使用过程中的安全问题

动力电池包的安全问题,从根本上说都是电池系统热失控问题。系统散热能力与系统生热能力不匹配,热量在系统内积累,电池温度上升,最终导致燃爆等恶略后果。借用一张图来说事。

锂电池热失控示意图

上图体现的是性能正常的电芯,热量积累引发热失控的过程。撞击,穿刺等机械损伤造成的热失控,不在这张图的描述范围。

锂电池负极SEI膜,是在系统温度上升过程中,最先出现失效的结构,反应起始温度在90到100°左右。考虑电池的内外温差以及保留部分冗余设计,这就是我们的电池包工作温度上限一般设置在50到60°之间的原因。

正常使用中,防止热失控,一方面避免过多热量的产生和积累;另一方面,提高热管理水平,让电池在它最适合的温度环境下工作。

2 带来热失控风险的行为

在过高温度下使用

原因如前面所述,从锂电池负极SEI膜溶解开始,失去保护的负极与电解液反应放热,电解液分解放热,正极分解放热,这些热量积累起来,反应逐渐加剧,反应从一只单体蔓延到附近电芯,一个模组的反应,给整个电池箱内的电芯加热,这就是所谓热失控的过程。

在过低温度下使用

电池包都会标注一个使用温度范围,低于下限温度,电池也是无法正常工作的。低温放电,理论上没有跟热失控有明确关联,但低温造成电解质活性降低,导电能力变差,进而导致放电能力变差,就是我们所谓的放不出电来,车子没劲儿。如果是低温强行充电,则会造成负极析锂问题,容量会受到永久损伤不说,析出的锂积累在那里,是热失控的重要原因。

过大倍率使用

超过电芯允许能力的大倍率放电,系统热量不能及时散去,热量积累,逐渐加大了热失控的风险。同时,过大倍率的放电,使得正极材料的锂离子嵌入过程超速进行,造成正极晶格坍塌,容量永久性损失。

大倍率充电,使得锂离子通过SIE膜的速度低于锂离子向负极积聚的速度,出现锂单质在负极表面堆积现象,如果过程反复进行,锂枝晶不断生长,最终会刺破隔膜,造成内短路,引发热失控。

过充过放电

过充,充电截止电压超过了电芯的最高电压,造成正极活性材料晶格塌陷,锂离子脱嵌通道受阻,使内阻急剧升高,产生大量热;负极堆积了过量的锂单质,附着在负极表面,所谓析锂现象。正负极的反应过程都容易最终走向热失控。

过放,本来应该是锂离子从负极脱出,嵌入正极晶格,但负极没有那么多的正离子可以提供,使得负极的集流体铜排失去铜离子,铜离子游离在电解质中,附着在正极或者负极,都会造成整个系统的失效。


BMS从板

BMS在热失控风险防范上的作用

1 BMS的已有功能

对于热失控风险的防范,BMS主要是起到监督作用,防止电池滥用发生。

温度,BMS有明确的工作温度阈值设置,针对充电,放电均有最高最低的温度限制,超过设置限制,系统不得开启或者必须降功率运行;

电压,针对过充过放风险,BMS设置有最高最低的充电和放电电压阈值,确保在触及电压阈值时,系统自动停止运行。

热管理,根据电池包的理想工作温度,命令冷却加热系统工作,防止过冷过热情况的出现。

消防,按照国标要求,商用车已经强制添加消防功能,系统出现消防风险,会采取报警和喷射灭火剂等措施。只是,当前的消防探测技术和算法都还没有得到充分发展,充分的发挥作用还需要一些时间。

2 BMS还在发展的功能

比如前文提到的一些状态估计SOH、SOF等,精确的状态估计,是动力电池恰当使用的前提,这方面的研究也在日益增多。

精确的温度反馈能力,理想的温度监测应该能够反映每颗电芯的实时温度,当前,由于技术和成本问题,还无法做到。

总结

动力电池安全是电动汽车推广的一个瓶颈,电池管理系统除了强化被动监控能力以外,加强均衡和热管理等主动作用于动力电池的能力,是除了加强电芯、模组等自身设计安全性以外,从本质上提高系统安全性的根本所在。

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关键字:动力电池BMS

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