当前位置:首页 新闻 行业资讯

新能源电动车EV基础篇:BMS电池管理系统

特普生科技 特普生科技 2023-04-07 12 1169

电池是任何电动汽车中最昂贵的部件,如果处理不当,其使用寿命会大大缩短,而且在不利条件下,它还会对汽车本身及其乘员构成安全隐患BMS就是要确保单个电池单元的正常运作的条件,从而确保整个电池的运作。这次捷克电动汽车专家网为我们重点介绍电池管理系统或 BMS。

图片.png

电动汽车及其部件

在这篇文章中,我们将总结电池是如何设计的,并且重点关注外部环境的条件,是什么才能使电池以最佳方式工作。我们还将分析BMS 是如何设计的,它的主要功能是什么,在设计有效的 BMS 系统时未来的挑战又是什么

电池设计

电动汽车电池虽然说起来是一个单体,但实际上它是由数百个(有时甚至数千个)电池单体串联或并联组成的电池模块。然后将这些模块连接成一个电池组,或者大家简称为“一块电池”。得益于这种布置,可以实现所需的容量和能量,同时更易于制造、安装以及检查和维护。我们在这里更详细地关注电池主题。

图片.png

电芯、模组和电池组

每个制造商制造的电池都略有不同,使用不同的化合物,或制造不同形状的电池。但它始终是一种锂电池,这是我们迄今为止拥有的最高效的技术。这些电池或多或少(取决于具体的化合物)对温度变化、过度充电或过度放电敏感,为了尽可能延长它们的寿命,需要仔细监测和控制这些量。

锂电池也容易出现温度泄漏,这可能是由多种错误引起的,例如充电过快或放电过快。下图显示了所谓的安全操作区。绿色方框代表锂电池在什么条件下是安全的,工作效果最好。温度应在 -5 至 45°C 之间,电压应在 2 - 4 伏之间,电流应在 0-1A 之间。仔细监控并确保电池处于这个“安全操作区”是至关重要的。

图片.png

BMS建设

BMS的设计在很大程度上对应于电池的设计。它由电池监控集成电路(BMIC)、电芯管理控制器(CMC)和电池管理控制器(BMC)组成。

图片.png

电池管理系统

BMIC 监控单个电池单元,并且必须能够在几微秒内快速将情况通知 CMC,以便 CMC 或 BMC 能够做出反应,并在必要时纠正不利情况。为了防止温度泄漏,BMIC 需要立即注意到电池过热,并尽快将此信息进一步发送。BMC 必须决定情况有多严重,如何处理,必要时必须关闭过热的电池。而这一切都必须在眨眼之间发生。

测量的准确性和应对不利条件的能力主要取决于从 BMIC 到 CMC 和 BMC 的通信频率,它们通信的频率越高,它们成功解决可能存在风险的情况的机会就越大. 然而,由于电气噪声,在电动汽车中设计有效的通信网络一点也不容易。

当然,在纠正之前,BMS 试图防止任何不利情况,因此除了 BMIC、CMC 和 BMC 模块之外,它还包含平衡不同电池能量负载的电路,这样所有电池的工作或多或少是相同的,不会引起问题。水平问题非常重要,我们稍后会更详细地讨论它。

图片.png

未使用的电池

根据电动汽车的复杂程度,可以添加多个智能微控制器来监视和控制各种特定任务。每个 BMS 不仅必须能够监控电池,还必须能够监控自身,并且必须能够确定警报或提示是否真实而非虚假。

BMS基本功能

综上所述,BMS 的功能再明显不过了,这里我们还将稍做一些说明

1、充放电控制

充电和放电是电池寿命中最危险的时刻。在交流充电期间,充电控制部分由车载充电器负责,车载充电器负责将交流电转换为直流电,然后将所需电压发送至电池。在直流充电的情况下,电流直接进入 BMS,BMS 控制充电并与直流站通信。

此功能要求整个系统智能化,因为电池本身的参数会随时间发生变化(端子发生氧化,电芯容量发生变化等),并且充电必须始终适应它实时。

2. 判断当前荷电状态(State of Charge)

这是最重要的功能之一,BMS 可以借此告诉驾驶员他还能驾驶多长时间。但确定充电状态并不像看起来那么简单。它实际上是BMS系统开发中比较复杂的问题之一。

当前充电状态定义为可用容量与电池总容量的比率,因此可以取 100% 到 0% 之间的任何值。由于电池的“放电”是电子流,因此似乎只能测量充电或放电量。然而,功耗受许多变量的影响,例如当前温度、放电期间的温度变化、当前负载等,因此要将所有这些因素都考虑在内绝非易事。

图片.png

THE SMADE JOURNAL 的“KIA Future Infotainment System - CES 2014 - (5) - SMADEMEDIA.COM Galleria”已获得 CC BY 2.0 许可

确定正确的充电状态值也很复杂,因为精确测量的方法要么计算过于复杂,要么不够准确,此外,充电状态还取决于整个电池在其使用寿命期间变化的参数,即它取决于电池的健康状况,这更难以确定。

由于无法或极不切实际地进行精确测量,因此当前的充电状态基于计算机电池模型。这是一个估计,虽然是一个合格的估计。在下一章中,我们将更全面地关注电池模型。

3. 健康状况的确定

电池健康度定义为当前满容量与0公里时电池满容量的比值。当您购买电池时,它的健康状况为 100%,随着充电周期的增加而恶化。

许多研究一致认为,电池健康受温度、电池充电电流、充电循环次数和其他主要因素的影响。然而,并非电池中的所有过程都是完全已知的,因此没有确定电池健康状况的精确方法。与确定充电状态一样,有必要依靠近似的计算机模型,这些模型考虑了内阻、电导率、自放电率、容量、充电期间接收的能量、使用期间的温度、年龄、循环次数等。

图片.png

日产聆风电池随时间的健康状况

到目前为止,各个制造商之间没有确切的协议,哪些变量进入计算,哪些模型将被使用。研究和开发继续集中关注这些主题。并且如上所述,正确确定健康状态对于能够尽可能准确地确定充电状态至关重要。

4. 电荷平衡

平衡单个电池的充放电是每个BMS必须解决的最后一个难题,我们还没有充分解决这个难题,但它实际上是整个电池寿命所依赖的最重要功能之一。每个电池的放电和充电水平相同很重要,这样一些电池才不会过载和损坏。

没有两个电池是完全一样的。有些总是有更大或更小的容量。容量稍低的电池单元放电更快,也更快被破坏,而其他电池单元的容量仍未使用。同样,在充电过程中,最弱的电池首先充电,其他电池仅部分充电。

平衡单个电池的充电和放电从而显着增加整体容量,因为它不仅由最弱的电池决定,而且它还保护这些较弱的电池,因此它们不会损坏、短路或泄漏,从而损坏整个电池盒。在 BMS 开发部分,我们将更深入地关注主动和被动平衡以及不同类型的拓扑。

图片.png

主动和被动平衡

5.录音与交流

与前面提到的功能相比,录音和通讯是一个相对简单的功能。因为电池的健康度是一个相对量,所以BMS需要存储电池一开始的特性数据,以便与其他值进行比较。因此,它可以评估电池操作及其诊断。

同样重要的是 BMS 与汽车其他部分(例如 车载充电器充电站)之间的通信。BMS 还确保驾驶员的显示屏显示他行驶了多远或汽车何时需要充电。还可以访问 BMS 存储和处理的上述历史记录。

电池管理系统开发

为了使每个BMS系统都能正确发挥其功能,其发展需要克服几个难题。正如我们之前所说,我们将专注于两个。第一个是电池状态估计。这是一个对驱动程序和系统本身及其正确管理都很重要的值。

第二个是电池单元电荷平衡。有被动和主动方法,以及需要适当设计以优化 BMS 属性的各种主动平衡拓扑。

电池状态估计

电池的充电状态对于驾驶员来说是绝对重要的信息。此外,如果可以获得准确的值,则可以延长电池的使用时间。然而,这是一个复杂的问题。我们已经解释了为什么不能简单地测量这个数量以及为什么我们必须依赖合格的估计。如今,存在三种基本估算方法——安时法、开路电压 (OCV) 法和基于模型的方法。

安时法简单易行。然而,为了使其正常运行,它需要了解健康状况的原始知识(这也只是一种估计),并且会受到累积误差和测量误差的负面影响,随着时间的推移,它变得不切实际。开路电压测量方法也被认为是准确的。但它只有在汽车长时间休息后才能使用,因此很难在正常操作中使用。

图片.png

确定电池充电状态的各种方法

由于所有提到的缺点,基于模型的方法是最常见的解决方案。使用电压和电流测量。将测得的电流输入模型,并使用当前值和/或过去的值和参数计算电压。然后将计算出的电压和测量到的电压之间的差异插入到能够巧妙地更新估计状态的算法中。

正在研究智能对数、模糊逻辑、人工神经网络和其他可能性的使用。由于它们处理非线性函数的出色能力,这些方法可以实现非常准确的估计,但是使用这些选项所需的学习过程在计算上很复杂,因此很难在必要的应用中使用它们。

电脑电池模型

创建电池的计算机模型,然后可以根据该模型计算充电水平,这很复杂,因为它是一个强非线性系统。基本上有两种选择。第一种是使用电池电化学特性的电化学模型。虽然这种方法相对准确,但在实践中计算复杂,因此使用了多个等效电路模型。这些电路模型被广泛用于估计电池状态,但它们的问题是不够准确。

目前的研究主要集中在开发更精确的模型,或者以对计算要求不高的方式组合当前模型(电化学和电路),目标是最终将它们用于电动汽车。

电池芯电荷平衡

世界上没有两个相同的电池单元(或两个相同的电池)。差异可能在于内阻、退化程度、容量、环境温度等等。这些单元之间不可避免的差异会导致许多问题,并且整体容量会急剧下降。这种不平衡会导致单个电池过度放电或过度充电,这对整个电池组来说是危险的,因此单个电池之间的电荷平衡对于保持性能和延长电池寿命至关重要。

被动电荷平衡方法

被动方法意味着比其他电池具有更多能量的电池通过电阻器放电,多余的能量以热量的形式消散。通过从更饱满的电池中释放多余的能量,可以轻松平衡电池组。

但是,这种方法浪费了太多的能量,也使整个电池的热控制变得复杂。此外,在这种情况下,只有过度充电的电池才能工作,如果一个电池明显弱于其他电池,则在平衡期间比在行驶期间释放更多能量。

主动电荷平衡方法

主动开关电路用于主动平衡,能够在各个电池之间传输能量。与被动方法不同,只会浪费少量能量。但为了实现这一点,需要在电路中内置更多的元器件,这不仅导致成本更高,而且可靠性也会降低。

图片.png

平衡和非平衡电池组

主动平衡通过称为拓扑的各种策略实现,这些策略考虑了成本、复杂性和可靠性。与往常一样,需要权衡取舍。使用最简单且因此最可靠的拓扑结构,一个电池只能平衡紧挨着它的另一个电池,如果不平衡的电池相距较远,这是不够的。

为了有效地连接所有电池,使其排列灵活,需要太多的组件,因此变得不可靠且昂贵。第三种方法允许使用少量组件和灵活性,但速度太慢而无法在实践中发挥作用,因为两个相邻的电池逐渐对齐,直到实现均匀充电。

由于这是 BMS 的一项基本功能,因此投入了大量精力来设计最高效的拓扑结构并使用最佳策略,包括被动和主动平衡,并使用尽可能少的组件。我们当然可以期待这些领域会出现许多新事物。

综上所述

BMS是电动汽车的一部分,可以保护电池免受误用和损坏,延长电池寿命并确保电池始终处于可用状态。

然而,每个设计总是需要平衡每个系统的价格、效率和寿命。唯一永不打折的价值是安全性。所有组件都必须符合 ISO 26262 安全标准,因此每个 BMS 都必须具有故障安全性并包含冗余资源,例如处理器单元,每个处理器单元都必须有自己的专用设备,例如内存等。

就汽车重要性和安全性而言,BMS 绝对是电动汽车中被低估的部分,值得与电池本身同等关注。

电池本体温控

中航锂电.电池本体温控用特普生温度传感器

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

文章链接:https://www.temp-sen.com/industry/591.html,部分素材来源于网络,若有不适,请及时联系我们删除。

Share
返回
上一篇:美国EV电动汽车市场:2023 年的关键问题
下一篇:新能源电动汽车EV电池成为“以区域为区域”的游戏
相关文章
文章排行榜
回到顶部