BMS知识讲座--rev

BMS室电池管理系统知识讲座中航锂电技术研究院汇报人：吕少锋BMS室2019/12/22BMS室什么是电池管理系统为什么需要BMSBMS功能、组成及拓扑结构第一篇BMS室2019/12/22BMS室什么是电池管理系统？电池管理系统（BatteryManagementSystem）来自Wikipedia的定义：ABatteryManagementSystem(BMS)isanyelectronicdevicethatmanagesarechargeablebattery(cellorbatterypack),suchasbymonitoringitsstate,calculatingsecondarydata,reportingthatdata,protectingit,controllingitsenvironment,and/orbalancingit.个人观点：电池管理系统是一种能够对蓄电池进行监控和管理的电子装置，通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护、提升电池的综合性能。BMS室2019/12/22BMS室为什么锂电池需要BMS？安全需求：锂电池的缺点是“娇气”，1次过放电就会造成电池的永久性损坏。极端情况下，锂电池过热或者过充电会导致热失控、电池破裂甚至爆炸。锂电池需要BMS来严格控制充放电过程，避免过充、过放、过热。功能需求：锂电池在使用过程中需要知道电池的SOC参数，通过SOC预测电池的剩余电量。BMS能够实时测算锂电池的SOC，满足客户应用需要。大容量锂电池存在比较明显的不一致性，不一致性会影响电池的充放电能力及循环寿命。BMS能够通过均衡改善不一致性，提升锂电池整体性能。电池在不同的温度下会有不同的工作性能，锂离子电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用电量发生变化，甚至会影响到电池的使用寿命。通过BMS可以控制电池工作的环境温度，改善电池特性。BMS室2019/12/22BMS室锂电池工作原理BMS室2019/12/22BMS室过充过放的本质锂电池充放电过程充电时，锂离子从正极板脱嵌，通过电解液嵌入到负极板上；放电时，锂离子从负极板上脱嵌，并经由电解液嵌入到正极板上；锂离子电池的充放电过程是锂离子在极板上的嵌入和脱嵌过程。充电时，随着锂离子的脱嵌，正极材料体积会发生一定量的收缩；放电时，随着锂离子的嵌入，正极材料体积会发生一定量的膨胀。过充时，正极晶格会产生崩塌，锂离子在负极会形成锂枝晶从而刺破隔膜，造成电池的损坏。过放时，正极材料活性变差，阻止锂离子的嵌入，电池容量急剧下降。如果发生正极材料体积过度膨胀，也会破坏电池的物理结构，造成电池的损坏。BMS室2019/12/22BMS室BMS的基本功能单体电池电压采集；单体电池温度采集；电池组电流检测；单体/电池组SOC测算；电池组SOH评估；充放电均衡功能；绝缘检测及漏电保护；热管理控制（散热、加热）；关键数据记录（循环数据、报警数据）；电池故障分析与在线报警；通信功能（能够与充电机、电机控制器等通信）。BMS室2019/12/22BMS室BMS组成示意图图中所示为亿能BMS，采用主从结构(Master-Slave)，包含一个主控多个从控，每个从控最多管理60支电池。主控与充电机、车辆控制器通过外部CAN总线通信，主控与手持设备通过RS232通信，主从之间通过内部CAN总线级联。从控实现电压采集、温度采集、热管理，主控兼顾电流测量、绝缘检测以及与其他设备通信等功能。MSPC机机机机机机机机机1机机机机2机机机机N端端端端端端机机机1机机机2机机机N……BMS机机CAN机机RS232机机机机机机机机机…………机机机端端端+端端+端端端-端端-机机机机机机机机CAN1端端端机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机端端端端(RS232)机机机机机机机CAN2机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机BMS室2019/12/22BMS室BMS拓扑结构---Distributed定义：电压、温度采集以及均衡等功能等分布到每支电池，通过总线与主控通信。优点：设计、构造简单，连线少，可靠性高，便于扩展。缺点：每支电池都需要一块控制板，安装繁琐、成本高。实例：GENASUNGLD，ElithionLithiumateBMS。BMS室2019/12/22BMS室BMS拓扑结构---Centralized定义：电压、温度采集以及均衡等所有功能均由主控完成（无从控），主控与电池无总线通信，直接导线相连。优点：设计、构造简单。缺点：连线长、连线多，可靠性不高，管理电池数量不能太多。实例：FlexBMS48，JustPowerBMS系列某产品（BattMindCseries）。CentralMasterControlUnit1BMS室2019/12/22BMS室BMS拓扑结构---Modular定义：一主多从结构，电压、温度采集以及均衡等功能由从控完成，一个从控管理若干电池，主控与从控总线通信（也称为Master-Slave）。优点：不需要在每支电池上安装控制电路板，连接灵活；从控离电池近，避免过长连线；便于扩展。缺点：需要考虑主从之间的通信隔离，通信多样、控制复杂。实例：国内主流BMS结构，亿能、冠拓、力高、宁波拜特BMS40、中航锂电自研BMS。BMS室2019/12/22BMS室SOC、SOH电池不一致性分类、定义均衡方法、均衡过程、均衡误区第二篇BMS室2019/12/22BMS室SOC定义及表示方法StateofCharge(SoC):100%SoC0%SoC=(remainingcapacity)/(capacityoffullychargedbattery)SoC=(remainingcapacity)/(TotalamountofusablechargeatagivenC-rate)SoC=(Cn–Qb)/CnCn:nominalcapacityQb:netdischargeRemainingCapacity≠UsableCapacityUsablecapacitydependsonthecutoffvoltageUsablecapacitydependsontheageofthebatteryCapacityoffullychargedbattery≠TotalamountofusablechargeatagivenC-rate≠CnBMS室2019/12/22BMS室SOC定义及表示方法定义SOC（StateofCharge）SOC=1–（Qdischarge/Qrated）=Qrest/QratedSOC表征电池的荷电状态，计算方法如上式，其中Qdischarge为已经放出电量，Qrated为额定电量，Qrest为剩余电量。SOC表示方法1.化学法：通过测量电解液的比重或PH值来指示电池的SOC（没有密封的铅酸电池）。2.电压法：建立电池充放电过程中电压与SOC的对应关系，通过读取的电压参数来反映SOC（受电流和温度影响）。3.电流积分：即所谓的安时积分法，将充放电电流与充放电时间进行积分，计算电量（需要校准）。4.压力法：电池内部压力随着充电的持续而增加，根据测量到的压力判断SOC大小（适用于镍氢电池）。BMS室2019/12/22BMS室锂电池SOC测算方法电压法不依赖于历史状态，无累积误差，各单体SOC相对独立；但是锂电池电压曲线平缓，不易判断。电阻测量法：用不同频率的交流电激励电池，测量电池内部交流电阻，通过计算模型得到SOC估计值；但SOC与电阻等参数之间关系复杂，传统数学方法难以建模。AH积分法依赖于历史状态，有累积误差，有均衡的情况下SOC测算难度加大；但AH积分法可以通过补偿、校准提高精度，目前应用最广泛。神经网络法、卡尔曼滤波法。BMS室2019/12/22BMS室锂电池SOH定义SOH（StateofHealth）即电池的健康状态，是用来表征电池是否可以正常工作的一个指标，当SoH较差时电池可能已经处于失效状态。SOH主要表现在以下几个方面：FullDischargeTest（容量衰减）SoH=(measuredcapacity)/(ratedcapacity)1SoH0AbatteryisatitsendoflifetimeatSoHof0.8.(EnergyInstituteBatteryResearchGroup)Increaseininternalresistanceresultingactivepowerloss（内阻增大导致有源功耗）Increaseinselfdischargerate（自放电率增大）Countingcharge/dischargecycles（循环次数累加）Voltagedropduringinitialdischarge（初始放电电压下降）BMS室2019/12/22BMS室电池第一类不一致性第一类不一致性：电池自身容量的差异导致的不一致性。第一类不一致性由电池生产制造工艺不完善导致，同一批次电池容量有一定的离散性。假设#1,#2和#3三支100AH串联电池的实际容量分别为95AH,100AH,105AH,即存在第一类不一致性，容量差异为10AH;三支电池的初始电量为均为60AH,此情况下纯粹由第一类不一致性导致的SOC最大差异将为9%（充放电末端达到最大值），SOC最小差异为5%左右。当前电量60AH当前电量60AH当前电量60AH实际容量95AH实际容量100AH实际容量105AH#1#2#3SOC=52.6%SOC=50%SOC=47.6%BMS室2019/12/22BMS室第一类不一致性的影响第一类不一致性影响：充电时#1电池先达到截至电压,充电终止;放电时三支电池几乎同时达到截至电压,放电终止;电池组的充放电能力受容量最小单体(#1)制约,实际只有95AH。充电放电当前电量0AH当前电量0AH当前电量0AHSOC=0%SOC=0%SOC=0%当前电量95AH当前电量95AH当前电量95AHSOC=100%SOC=95%SOC=90.5%BMS室2019/12/22BMS室电池第二类不一致性第二类不一致性：纯粹由各个单体电池初始电量差异导致的不一致性。第二类不一致性不依赖于第一类不一致性存在。电池组在实际应用过程中因为内阻差异、自放电率差异等原因，第二类不一致性会从无到有，从弱到强。假设#1,#2和#3三支串联电池的实际容量均为100AH,即不存在第一类不一致性;三支电池的当前电量为55AH,60AH,65AH,由此导致的SOC差异为10%，电量最大差异10AH。实际容量100AH实际容量100AH实际容量100AH#1#2#3SOC=55%SOC=60%SOC=65%当前电量55AH当前电量60AH当前电量65AHBMS室2019/12/22BMS室第二类不一致性的影响第二类不一致性影响：充电时#3电池先达到截至电压,充电终止;放电时#1先达到截至电压,放电终止;电池的实际容量是100AH,然而充放电能力实际只有90AH。充电放电当前电量0AH当前电量5AH当前电量10AHSOC=0%SOC=5%SOC=10%当前电量90AH当前电量95AH当前电量100AHSOC=90%SOC=95%SOC=100%BMS室2019/12/22BMS室如何解决电池存在的不一致性BMS可以通过均衡功能解决电池组使用过程中存在的第一类不一致性和第二类不一致性。均衡分为主动均衡和被动均衡。被动均衡以电阻能耗法为代表，该方法可以实现充电均衡。主动均衡DC/DC变换器为代表，基于此主动均衡又可以分为以下四种方式，每种方式均可以实现充电均衡和放电均衡：1.电池组向单体均衡（放电均衡效果尤佳）；2.单体向电池组均衡（充电均衡效果尤佳）；3.电池组与单体