电池管理系统(BMS)简介
近海
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2019.12.27
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BMS是电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)的简称,是电池与用户之间的纽带。其主要管理对象是二次电池如锂电池,是为了提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,可用于电动汽车、电瓶车、机器人、无人机等。

1. BMS的必要性

锂离子电池在使用过程中最怕的就是过充电和过放电,一旦过充或过放电,电池性能就会受到损坏,比如容量降低、寿命减少等。严重的情况下,还会发生爆裂和起火燃烧。现在时不时发生的电动汽车自燃事件就是最好的明证,这都是汽车的BMS系统功能出现问题导致的后果,由此可见BMS系统的重要性。

另外,锂离子电池在成组使用时,更容易发生过充或过放电现象,这都是由于单体电池参数不一致引起的。由于电池参数的不一致,单体电池在充电或放电过程中的电池电压、内阻或SOC值都存在差异,如果在充放电过程中没有得到有效控制,这些参数的差异会进一步放大,最终导致部分电池出现过充或过放现象,造成电池容量和寿命下降。

2. BMS主要功能

BMS系统主要有三个功能:

(1)实时监测电池状态。主要是通过检测电池的外特性参数如电压、电流、温度、工作时间等,然后采用适当的算法,估算电池的内部状态参数如SOC(电池荷电状态)、SOH(电池健康状态)等,这是电池管理系统有效运行的基础和关键。

(2)实现电池系统热管理、均衡管理、充放电管理、绝缘电阻检测、故障报警等功能。

(3)通过总线(CAN、以太网等)与显示系统、整车控制器、充电机等交换数据。

3. BMS系统组成

如上图所示,BMS系统主要由主控单元、采集单元、均衡单元等组成。

典型的BMS系统拓扑结构主要由主控模块和从控模块组成,具体来说由主控模块、数据采集模块、数据检测模块、显示模块、控制部件(继电器、熔断装置)等组成,模块之间通过CAN总线或其他总线进行数据通讯。

3.1 主控模块

主控模块包括继电器控制、电流检测、总电压检测、绝缘电阻检测和通讯接口等电路,系统组成框图如下图所示。

(1)电源模块:为板上器件提供稳定的工作电源;

(2)中央处理器:采集、分析数据、输出控制信号、通过算法估算电池各状态,包括荷电状态(SOC)、放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、安全状态(SOE)等,为整车状态管理和能量分配提供依据;

(3)继电器控制模块:控制继电器的闭合、断开,以此来控制电池组是否向外部供电;

(4)电流检测模块:检测电池组的总工作电流;

(5)电压检测模块:检测电池组的总工作电压;

(6) 温度检测模块:检测电池组工作过程中的温度变化情况,为电池系统热管理提供依据;

(7)绝缘检测模块:检测电池组与车体之间的电阻是否符合要求。

(8)CAN模块:为主控模块与其它部件之间的通讯提供线路。

(9)在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测指通过采集到的传感器信号,采用诊断算法确定故障类型,并进行早期预警。电池故障指电池组、高压电回路、热管理等各子系统的传感器故障、执行器故障(如接触器、风扇、泵、加热器等),以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障指过压、欠压、过电流、过温、内短路、接头松动、电解液泄露、绝缘电阻降低等。

(10)热管理:根据电池组内温度分布情况及充放电需求,决定主动加热或散热的强度,使电池尽可能工作在最合适的温度,充分发挥电池的性能。

(11)电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后,通过CAN总线通知整车控制器,整车控制器接到通知后进行相应处理,以防止高温、低温、过充、过放、过流或漏电等情况对电池或人身的伤害;

(12)存储设备:用于存储关键数据,如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电时间、故障码和一致性等。

3.2 从控模块

从控模块包括电源模块、中央处理器、风机控制、存储模块、CAN模块、均衡控制模块、电压检测模块和温度检测模块等,如下图所示。

(1)电源模块:为板上器件提供稳定的工作电源;

(2)中央处理器:采集、分析数据,把采集的数据传送给主控模块;

(3)电压检测模块:检测电池组内单体电池的电压,防止电池出现过充电或过放电现象;

(4)温度检测模块:检测电池工作温度,为电池系统热管理提供依据;

(5)CAN模块:为从控模块和主控模块通讯提供线路;

(6)均衡模块:对电池进行均衡管理,采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式,保证电池组内不同电芯之间的荷电状态达到一致,避免单个电池在充电时被过充、放电时被过放,良好的均衡能够使电池组容量达到最大;

(7)存储设备:用于存储关键数据,如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电时间、故障码和一致性等。

本文分析了BMS在动力电池应用中的必要性,介绍了BMS系统的功能以及组成结构,介绍了系统中每个模块具体实现的功能,希望通过本文的介绍能够使各位读者对BMS系统有一个基本的了解。BMS是一个比较复杂的系统,但由于各种条件的限制,目前还没有厂家能够推出性能优良、稳定可靠的BMS系统,希望有志于此的读者能够潜心研究BMS控制技术,为电动汽车的发展助力。

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