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电池管理系统BMS功能解析!

动力电池BMS最核心的功能就是采集系统的电压、温度、电流、绝缘电阻、高压互锁状态等数据,然后分析数据状态和电池的使用环境,对电池系统充放电过程进行监测和控制,从而在保证电池安全的前提下最大限度地利用动力电池系统储存的能量。按照功能,可将BMS分为电池数据采集、电池状态分析、电池安全保护、电池系统能量管理控制、数据通信和储存、故障诊断和管理等部分。




1 电池数据采集
电池数据采集包括电压、温度、电流、绝缘电阻、高压互锁状态等数据的采集,能为BMS提供电池系统的实时数据,为后续的电池系统的状态分析、控制和保护提供依据。

电压采集有每串电芯的电压、电池系统内部总电压Vbat和电池系统外部总电压Vlink。温度采集有电芯表面和极耳的温度、液冷进出水口的温度、快充桩接口温度和BMS工作内部温度。电流采集主要通过分流器或霍尔电流传感器采集电池系统主回路的电流,并采取安时积分等估算方法估算电池系统的状态。绝缘电阻主要采集电池系统总正与箱体之间的绝缘电阻,以及电池系统总负与箱体之间的绝缘电阻。高压互锁包括高压航插的互锁状态和MSD的互锁状态。

2 电池状态分析
2.1 动力电池系统的荷电状态(SOC)的估算
SOC的定义是电池的剩余电量与电池的容量的百分比,计算公式如下。
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2.2 电池系统的健康状态(SOH)的估算
SOH的定义是电池已满充电次数与电池寿命周期的可用充电次数的百分比。电池已满充电次数等于电池累计充电的总容量除以电池满充容量,计算公式如下。
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SOC和SOH的估算是BMS的核心技术之一,是整车评估续航里程的主要参数。SOC估算的典型算法有开路电压法(OCV法)、安时积分法、阻抗法、扩展 Kalman滤波法和神经网络法等。现阶段,大部分BMS都是采用带加权的安时积分法,在安时积分法的基础上增加开路电压、不同温度下的额定容量、不同电流下的充放电效率等电芯参数,从而对SOC进行修正。为了缩小SOC估算误差,已经有BMS供应商和科研单位研究人工智能SOC的估算方法,人工智能SOC就是在加权的安时积分法基础上,通过采集电池系统的实时数据(单体电压、电流、温度等)进行实时OCV的推算,从而实现动态OCV修正SOC。

3 电池安全保护
当电池系统出现过压、欠压、超高温、超低温、过流、绝缘低、电压采集线断线、温度采集线断线、高压互锁异常等故障时,BMS需及时对电池系统进行保护,按照故障的严重程度,分级采取限制功率、立即下电等保护措施,从而保证电池系统在安全前提下最大限度地利用其储存的能量。

在低温或高温环境下,当电池系统需要充放电时,BMS会先上报电芯表面和极耳的温度以及液冷进出接口温度给整车,整车通过分析BMS上报的温度数据,开启液冷系统对电池系统进行加热或者散热,使电池系统在适宜的环境温度下充放电。

BMS采集快充接口温度是为了判断快充接口是否连接好或者过流导致接口过温,防止安全事故。

4 电池系统能量管理
4.1 充电管理
BMS根据电池系统当前的电芯温度和SOC对电池系统的充电功率MAP进行线性查表,从而确定系统的当前最大允许充电电流。充电时,BMS把电池系统允许充电的单体最高电压、最高总电压、最高温度以及当前允许充电的最大电流、标称能量、SOC和当前电池电压等信息与充电设备(充电桩或车载充电机)进行交互,从而使电池系统按照适配的充电电压、充电电流和充电方法进行充电,保证电池充满电。同时,根据充电机最大输出能力和电池系统充电状态估算充电剩余时间。

4.2 放电管理
放电管理是BMS根据实时采集的温度和估算的SOC对动力电池系统的10s/30s峰值放电功率MAP和持续放电功率MAP进行线性查表,获得电池系统的当前10s/30s的峰值放电功率值和持续放电功率值,上报给整车MCU。MCU对电机请求功率P1(电机请求功率是根据车辆行驶的电机转速转换成的电机功率)与BMS上报的峰值放电功率Pmax和持续放电功率Pc进行比较。当P1>Pmax时,取电池系统峰值放电功率Pmax放电并计时,超时后就降到持续放电功率Pc放电;当 P1<Pc 时,BMS出现下一次的峰值放电功率Pmax放电。

4.3 均衡管理
均衡管理的主要功能是把单体电压之间的压差减小,从而减小电芯放电的一致性,保证电池系统在安全前提下最大限度地利用其储存的能量。

均衡分为主动均衡和被动均衡,主动均衡是在单体压差过大时,把电压高的单体中能量转移到电压低的单体中,从而达到均衡;被动均衡是在单体压差过大时,在电压高的那几串单体处并联一个电阻,从而消耗一部分能量,最终达到均衡功能。

5 数据通信和储存
BMS把电池系统的单体电压、温度、总电压、电流、SOC、SOH以及故障告警等数据通过CAN通信上报给整车,整车收到数据后,一是把实时的总电压、电流和SOC显示在仪表中;二是对故障告警信息进行分析,然后通过CAN通信对BMS发送命令,使BMS对电池系统进行保护和控制,同时,部分故障点亮仪表盘的故障灯,以提醒用户。

6 故障诊断和管理
根据电芯参数和电池系统的功能制定相应的故障阈值表,包括故障名称、故障阈值、故障回差、故障检测时间和响应时间,以及BMS采取的保护措施和整车的保护措施等信息。
参考:董云鹏等电池管理系统(BMS)的功能性设计》


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