电池保护系统之管理系统（PACK基础培训）

PACK基础培训,电池管理系统,前言,上章介绍了电池组保护系统中的保护板。保护板的基本功能就是保护电池组不过充过放。但实际运用中纯粹的保护电池组过充过放的保护板已不能满足使用需求，电池管理系统孕育而生。本文就管理系统的一些基本功能及个人对管理系统的一些理解进行讲解。由于个人知识面的匮乏错误之处在所难免请批评指正！,大纲,1.电池管理系统概述2.电池管理系统的组成3.磷酸锂电池的一些性能参数4.电池管理系统技术要点5.电池管理系统主要合作的厂家6.主要厂家的电池管理系统使用简介及应用案例7.管理系统设计硬件要求8.管理系统一些控制方案和解决方案9.回顾总结10.结束,电池管理系统概述,电池管理系统与电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC/SOH状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。电池管理就涉及的范围而言可以分为广义和狭义两个方面来论述。广义的电池管理可以涉及到电池的充电，以及负载放电这一块，以提高电池性能为目的，协调充电和放电，在适当情况下可以调整充放电速度。相当于一个系统的电源管理和能源管理部分。比较典型的应用是，混合动力电动车的电池管理。由于混合动力车的能源供给不仅仅是电池，还有其他能源，因此可以根据电池的实际情况安排电池的充放电速度，以及能量供给比例。狭义的电池管理仅仅是管理电池的各项状态及参数，并提供必要的数据通讯功能。它不涉及到充电管理和放电管理。这比较适合“电池管理”这个词。由于电池的充电受充电器的供电能力，电压等限制，属于电池管理的外延，不受电池管理操控；同样，电池的放电主要受负载的大小影响，负载大小的调整一般在更高级别的管理层面去调节，而不是有电池管理系统根据电池自身情况来调整。电池管理仅仅监测电池状态，以及电池中各个CELL的状态，并根据其状态对电池及其内部部件做适当的控制调整等。电池管理并不对电池外的其他部件作控制，仅提供通讯的数据状态告知功能。但是电池管理可接收上层主控模块的控制信息作必要的控制响应目前一般意义上的BMS是指狭义的电池管理概念。充电管理由充电器实现。低端产品一般通过电池端来实现，充电器通过电池电压来判定是否采用恒流充电/恒压充电，涓流充电，浮充等。现今主流则通过充电协议由电池管理系统通过CAN线对充电机做出指令。放电管理和负载管理由电池管理的上层主控模块根据电池管理提供的信息作必要的调整。,管理系统的基本组成,主机、采集模块、显示模块、采集线束、通讯线束、功能线束、周边配件、软件。主机：相当于台式电脑的主机，它接收采集模块的采集信息，进行分析处理、储存、发送、发出指令。采集模块：有电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、绝缘采集模块。各个BMS厂家会根据其自身的条件及对应客户的需求将这些采集模块进行糅合，很多时候会将所有所需的采集模块与主机组合在一起，成为一体机。显示模块：各个厂家会根据客户需求提供不同外观及功能的显示屏。有非触摸的单显示屏，有触摸式的提供部分权限的显示屏，也有触摸式提供绝大部分更改权限的功能显示屏。也有厂家会将显示屏与主机组合在一起如科列的一体机。,2.管理系统的基本组成,采集线束：包含电压采集线束、电流采集线束（霍尔线或分流器采集线）、绝缘采集线束、温度采集线束（包含温感头）通讯线束：主从通讯线（包含各模块间的转接通讯线）、外部CAN线、屏通讯线、485通讯线、GPRS通讯天线、数据下载线、上位机通讯线。功能线束：管理系统电源线、继电器控制线、风扇线、均衡线（一般与电压采集线绞在一起）。,管理系统的基本组成,周边配件：接触器（继电器）、霍尔电流传感器、分流器、DC电源（适配电池组、DC/DC）、风扇、加热带、电磁阀、储存卡、SIM卡、温感探头、温度开关、地址码修改器、滤波器、各类开关、各类固定用配件。软件：软件是现阶段管理系统最核心的部分，也是最难的一部分。主要包含主机运行程序包、从模块程序、上位机软件、后台监控程序、屏程序、各类协议。,磷酸铁锂电池主要性能参数,电池管理系统用于管理电池，需要理解电池管理系统，首先需要了解磷酸铁力动力电池（我公司只生产磷酸铁锂电池）的性能参数。1电压开路电压=电动势+电极过电位,工作电压=开路电压+电流在电池内部阻抗上产生的电压降.电动势由电极和电解质材料特性决定,电极的过电位与材料活性、荷电状态和工况有关.在后文管理系统主要技术要点中的电压管理有详细介绍。2内阻电池在短时间内的稳态模型可以看作为一个电压源,其内部阻抗等效为电压源内阻,内阻大小决定了电池的使用效率.电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻两部分,欧姆电阻不随激励信号频率变化,又称交流电阻,在同一充放电周期内,欧姆电阻除温升影响外变化很小.极化电阻由电池电化学特性对外部充放电表现出的抵抗反应产生,与电池荷电、充放强度、材料活性都有关.同批电池,内阻过大或过小者都不正常,内阻过小可能意味材料枝晶生长和微短路,内阻太大又可能是极板老化、活性物质丧失、容量衰减,内阻变化可以作为电池裂化的充分性参考依据之一.,3温升电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值.多数锂电池充电时属吸热反应,放电时为放热反应,两者都包含内阻热耗.充电初期,极化电阻最小,吸热反应处于主导地位,电池温升可能出现负值,充电后期,阻抗增大,释热多于吸热,温升增加,过充时,随不可逆反应的出现,逸出气体,内压、温升升高,直到变形、爆裂.4内压电池内部压力,由于电池内部反应逸出气体导致气压增大,气压过大将撑破壳体和发生爆裂,基于安全考虑,一方面锂电池都设计了单向的防爆阀门,一方面用塑壳制造.析气反应常伴随着不可逆反应,也就意味着活性物质的损失、电池容量的下降,无析气、小温升充放电是最理想的.5电量电学里,电量用Wh表示,是能量单位,一度电等于1kWh,电池常用Ah计算电量,对于动力电池侧重于功率和能量大小,用Wh更直接一些,因为电池的电压是变化的,其全程变化量可达到极大值的一半左右,用Ah计算电量不能正确描述电池的动力驱动能力,但Ah作为电池的电量单位自有其历史和道理,在不引起歧义的地方两种电量单位都可以使用.后文管理系统主要技术要点中的容量管理将会详细介绍。,6荷电电池还有多少电量,又称剩余电量,常取其与额定容量或实际容量的比值,称荷电程度.是人们在使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据,人们试图通过测量内阻、电压电流的变化等推算荷电量,做了许多研究工作,但直到目前,任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持,指示的荷电程度总是非线性变化.后文容量管理中将讲解BMS如何计算校正剩余容量。7容量电池在充足电以后,开始放电直到放空电为止,能输出的最大电量.容量与放电电流大小有关,与充放电截止电压也有关系,故容量定义为小时率容量,动力电池常用1小时率(1C)或2小时率(0.5C)容量.电池在化成之前材料的活性不能正常发挥,容量很小,化成过程开始后,电池进入其生命期,在整个生命期里,电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面,初期活化作用处于主导地位,电池容量逐渐上升,以后,活化和劣化作用都不明显或相当,后期,劣化作用显著,容量衰减,规定容量衰减到一定比例(60%)后,电池寿命终结.在这里我们需要区分电量、荷电、容量的定义关系，在现实生活中极易混淆！8功率电学定义直流电源的输出功率等于输出电压与电流的乘积,锂电池单体电压高,在相同的输出电流下,其功率分别是铅酸、镍镉镍氢的1.8倍和3倍.电动汽车用动力电池组的负载是电机控制器,电机控制器根据车速变化调整输出功率,短时间来看,电池组驱动的是恒功率负载,这个功率变化的范围极大,制动时有与加速时相近的反向逆变功率.,9效率电池的效率指电池的充放电效率或能量输出效率。充放电效率指充放电过程中单位时间充放电电流实际引起的电池荷电变化量与单位时间电流所引起的电量变化之间的比值。这个指标主要体现电池内部化学能与电能之间的转换效率，BMS容量管控中此参数已经引入，但重视程度很低，但若需进一步提高SOC估算精度此参数的准确度则异常重要。能量输出效率对于电动汽车,续驶里程是最重要指标之一,在电池组电量和输出阻抗一定的前提下,根据能量守恒定律,电池组输出的能量转化为两部分,一部分作为热耗散失在电阻上,另一部分提供给电机控制器转化为有效动力,两部分能量的比率取决于电池组输出阻抗和电机控制器的等效输入阻抗之比,电池组的阻抗越小,无用的热耗就越小,输出效率就更大.10.自放电自放电是指电池在没有对外做功的情况下，经过一段时间，其自身内部物质发生化学反应而致使电池容量损失的现象。自放电单位为“百分比”我公司的磷酸铁锂电池月自放电在3%以内。11.恒流比充电时恒电流充入的电量与恒电流、恒电压充入的总电量之比。恒流比越高电池性能越好。电池管理系统中充电管控设计时恒流比是一个非常重要的参考参数。,12寿命单体电池寿命定义和测试程序已被人们普遍接受并形成许多标准,测试寿命时,可保证不过充、过放,也就不会提前失效,与单体不同电池组寿命取决于单串最低寿命，而由于电池的一致性问题，电池组寿命远低于单体电池寿命，综合管理提高电池组寿命是电池管理系统存在的最大价值体现。13安全动力电池的工作条件苛刻,主要的安全问题是电池自身爆炸、燃烧和导致的电火,在电动汽车使用中,发生过多次起火事件,对电动汽车的发展造成了负面影响,在这些事故中,有电池自燃的,有车辆被烧毁的,甚至动用消防队灭火。据本人了解事故原因主要为：外部电路短路，一般为电池组两点或两点以上漏电；BMS采集错误误判或参数设置错误导致过充过放;BMS干接点失效而常闭导致过充过放；主电路继电器（接触器）失效常闭导致过充过放;车载控制器控制错误强制充电致过充（如5.28布吉事件）强力撞击电池，（如：比亚迪出租车事件，我司高空坠落实验）；电池自身短路。,磷酸铁锂电池充放电特性,以单体电池为动力源如移动电话,电源管理技术已经十分完善,但在电池组中,单体之间的差异总是存在的,以容量为例,其差异性永不会趋于消失,而是逐步恶化的.组中流过同样电流,相对而言,容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长,而容量小者总是处于大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短,两者之间性能参数差异越来越大,形成正反馈特性,小容量提前失效,组寿命缩短,在下文的充放电特性分析中就必须包含过充电和过放电过程.1充电目前锂电池充电主要是限压限流法,初期恒流(CC)充电,电池接受能力最强,主要为吸热反应,但温度过低时,材料活性降低,可能提前进入恒流阶段,因此在北方冬天低温时,充电前把电池预热可以改善充电效果.随着充电过程不断进行,极化作用加强,温升加剧,伴随析气,电极过电位增高,电压上升,当荷电达到约9095%时,电压达到最高充电限制电压,转入恒压或涓流(CV)阶段.理论上并不存在客观的过充电压阈值,若理解为析气、升温就意味着过充,则在恒流阶段末期总是发生不同程度的过充,温升达到4050摄氏度,壳体形变容易感测,部分逸出气体还可以复合,另一些就作为不可逆反应的结果,损失了容量,这可以看作电流强度超出电池接受能力.在恒压阶段,有称涓流充电,大约花费30%的时间充入10%的电量,电流强度减小,析气、温升不再增加,并反方向变化.,2过充电上述过程考虑电池组总电压或平均电压控制,其实总有单体电压较高者,相对组内其它电池已经进入过充电阶段.过充电时,若在恒流阶段发生,由于电流强度大,电压、温升、内压持续升高,以磷酸铁锂为例,电压达到4.2V时,温升40度、4.5V时温升可达60度、壳体形变明显并不可恢复,若继续过充,气阀打开、温升继续升高、不可逆反应加剧.恒压阶段,电流强度较小,过充症状不如恒流阶段显著.只要温升、内压过高,就伴随副反应,电池容量就会减少,而副反应具有惯性,发展到一定程度,可能在充电中也可能在充电结束后的短时间里使电池内部物质燃烧,导致电池报废.过充电加速电池容量衰减、导致电池失效,百害无一利.3放电恒流放电时,电压有一陡然跌落,主要由欧姆电阻造成压降,这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻,电压继续下降,经过一段时间以后,到达新的电化学平衡,进入放电平台期,电压变化不明显,放热反应加电阻释热使电池温升较高.放电电压曲线近似单体放电曲线,持续放电,电压曲线进入马尾下降阶段,极化阻抗增大,输出效率降低,热耗增大,接近终止电压时停止放电.上述过程用恒流特性模拟负载电机,实际汽车在行使中,电机输出功率的变化很复杂,电流双极性变化,即使匀速行使,路面颠簸、微小转向都使输出功率实时变化,在短时间段里,可以用恒流放电模拟分析,总之大的方向是放电,偶尔有不规则的零脉冲(无逆变功能)或负脉冲(有逆变功能,电池被充电)出现.,4过放电考虑组内单体电池,必有相对的过放电情况.在放电后期,电压接近马尾曲线,组中单体容量正态分布,电压分布很复杂,容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快,若这时其它电池电压降低不是很明显,小容量单体电压跌落情况被掩盖,已经被过度放电.观察单体过放情况,进入马尾曲线以后,若电流持续较大,电压迅速降低,并很快反向,这时电池被反方向充电,或称被动放电,活性物质结构被破坏,另一种副反应很快发生,过一段时间,电池活性材料接近全部丧失,等效为一个无源电阻,电压为负值,数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降,停止放电后,原电池电动势消失,电压不能恢复,因此,一次反充电足以使电池报废.磷酸铁锂充放电曲线：总之,电池的正确使用技术是非常重要的，如何正确使用电池则需要通过BMS对电池包进行管理！BMS如何正确的管理电池组呢？BMS必须依据电池本身特性来设计软硬件！,电池管理系统主要技术要点,1.电压管理单体电池数定义，单体电池电压检测，电压告警分级，过压告警功能，过压告警状态解除，欠压告警功能，欠压告警功能解除电池的电压电池的电压主要指电池正负极间的端电压（U）。锂电池在充放电时常会看到这样的三种现象；第一种现象，充电时，断开充电电源后，电池的电压突然降低V后，还会继续缓慢地下降；放电时，断开放电负载后，电池的电压则在突然升高V后，还会继续缓慢地上升。也就是说，电池在充、放电时断开后，电池的电压是不稳定的，一般要持续几十分钟后才能稳定。第二种现象，电池储电很少，但电池的电压却很高。然而放电一开始，电池的电压就立刻降下来；或者电池储电不多，电压也不高。但充电开始不久，电池的电压就上升的很高，及时断开充电电源，电池的电压也没有很明显的下降。第三种现象，电池的电压与使用条件，没有确定的线性关系。不同充放电率、不同温度、不同核电状态、不同使用历程下的电池电压，都是各不相同的。,上述这些现象的出现主要都是由于电池的极化所引起的。我们知道，电池正负极的电极电位，表征正负极材料电话学能级的大小。所以，电池正极材料的电极电位a与负极材料的电极电位b之差，叫电池的电动势（E）。当电池正负极处于热力学平衡状态和电池没有电流流过（i=0）时，电池正负极点击电位也处于平衡状态。此时的正负极电位之差，较电池的静态电动势（Es）。即：Es=a-b(1)当电池有电流流过（i0）时静态电动势（ES）就要下降一个值，电池的电压变为U.即：Es-U=（2）或U=Es-(3)这个就叫做电池的极化。电池为什么会产生极化呢？这是由于电池的电化学反应过程中要有能量损失、参与电化学反应物质浓度的变化也会引起电极电位的变化，此外，电池内部还存在着欧姆电阻，当有电流流过欧姆电阻时，也需要消耗能量。由电池电化学过程产生的极化和反应物质浓度变化所引起的浓差极化，统称为电池电化学极化（e）；由欧姆电阻引起的极化叫欧姆极化（）。因此，电池的极化可表达为：=+e（4）电池的欧姆极化，服从欧姆定律，即电池电压与电流成之比。电化学极化，它也服从欧姆定律，电池电压与电流没确定的关系。电池的极化时电流的函数，与流过电池的电流大小紧密相关。电池的极化与流过电池的电流关系较电池的极化曲线（I），如图示：,电池充放电的极化曲线,图中UOC为电池的开路电压，UC为电池的充电电压，Ud为电池的放电电压。每个电池的极化曲线都是有差异的，而且随着使用条件的变化而变化。从图中可以看到，电池的极化曲线呈S形状。电池在两端工作时，即在NO.1和NO.3区间工作时，电池的电压随电流的增加而又较大的变化。而在NO.2区间工作时，电池的极化曲线比较平坦。电流增大，电池电压变化不大。我们可以利用这个特性，很方便的对电池进行充、放电调控。电池电压可用下式表示：U=Ese（5）式中“+”为充电状态“”为放电状态。设I为流过电池的电流，R为电池的欧姆电阻。则欧姆极化：=IR（6）因此，电池电压又可写成：U=EseIR（7）开路时：USEs(8)但是，在电池开路状态下测量的电池开路电压US，不一定等于电池的静态电动势（Es）。这是因为电池两极在电解液中不一定处于热力学的平衡状态，特别是在刚结束充放电后的一段时间里所测量的电池开路电压，与电池的电动势相差甚远。因此说，电池的电动势很难直接用电工测量的方法测出。一般都是用计算方法估算电池的电动势。用实时测量电池正负极间电压的方法，,可以测量出按公式（7）（8）所包含内容的每一个单体电池的所有工况下的实时电压，即电池的电动势与计划电压之和。这对于BMS全程实时监控电池来说，电池的实时电压是主要参数，也是监控单串电压参数的唯一参数。2.容量管理：通过上述的论述我们知道管理系统是无法准确的判定电池的电动势的，单纯的通过电压管控是无法合理管理电池组的，这就引入了容量管控。电池容量顾名思义电池能够容纳的电量。电量又有两种表示方式：1.功（能量）的表示法2.电荷表示法相对于使用电池客户来说功（能量）的表示法更符合理解需求。而相对于电池制造商来讲用电荷表示法更符合生产测试需求。a.功的表示法：W=I*U*T客户需求的是电池组对外做功，电池内阻，线阻，接触阻值的损耗对客户来说是无意义的，而BMS在以功来计算电池容量，带电量时需要对电流积分，还要对电压积分，而通过前面的论述我们知道管理系统无法真实的采集到电池的电动势，采集到的电压仅为输出有用功的电压，在管理电池容量引用功率因素则估算出电池的剩余容量偏差会较大，管理系统无法准确计算出无用功所占有的比例。b.电荷表示法：电荷单位为库伦。电流的定义为1秒钟流过1库伦的电荷为1安培Q=I*T。所以,电荷表示电池容量法即为电池所能装载（转化）的电荷量。功的表示法与电荷表示法的对比：两者相较对于BMS而言电荷表示法更利于计算管理，而功的表示法用户更利于理解，那使用何种方式更好呢？个人而言，未来BMS的发展方向应更趁于管理，数据分析。因此可以用功和电荷表示法相结合，通过数据对比分析电池效率，利用率和健康状态分析！不论何种表示方式其剩余容量估算都是百分比计算的，在操作中必须分清带电能量与剩余容量的关系。,带电能量剩余容量（SOC）：,磷酸铁锂电池剩余容量与电压关系（静态）：,上表可知电压与剩余容量并非线性关系，但其整体趋势是一致的，SOC在估算中存在误差不可避免，而且理论上这种误差会叠加会被放大，为了杜绝此问题现在的BMS在电压保护点位置或电压报警点对SOC进行校准。,电池组中各串容量不一致图解：,有效利用的容量,浪费的容量,串联电路中整组电池组的容量取决于最小的容量电池串，而多数动力电池包串数很多，浪费的能量W=（各串容量-最小串容量）*3.2之和,电池组中各串带电能量不一致图解：,有效利用的容量,浪费的容量,浪费的容量,带电量不一致引起的效果与容量不匹配影响的效果一样，电池组容量整体利用率下降，但容量不匹配是无法避免的，且会随着电池循环的进行劣化的程度各有不同容量差异将越来越大；带电量不一致可以通过PACK制程来管控，在使用过程中可以定期维护来控制。,3.电流管理:通过前文的描述我们对电池容量的概念已经有了一个基本的了解,容量管理中电压、时间不可缺少，没有电流管理也将是一句空话。现阶段管理系统采集电流有两种方式：a.霍尔电流传感器；b.分流器。,霍尔电流传感器,分流器,霍尔电流传感器基本工作原理：电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式：IS*NS=IP*NP其中，IS副边电流；IP原边电流；NP原边线圈匝数；NS副边线圈匝数；NP/NS匝数比，一般取NP=1。电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有10400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。,霍尔电流传感器按内部电路形式为闭环霍尔，和开环霍尔，从信号输出可分为电压型和电流型。电压型霍尔只是在电流型霍尔的基础上增加了一个采样电阻，根据电流采集电路而选取。开环霍尔电流传感器：,开环霍尔传感器的优点是电路形式简单、成本相对较低；其缺点是精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较大。为了克服开环传感器存在的不足，上世纪八十年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感器。,闭环霍尔电流传感器：闭环闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式的。当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号，直接反应出导线中的电流大小：IBVH式中：B为导线通电流后产生的磁感应强度；I为通过导线中的电流；VH为,为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。当选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环霍尔电流传感器；另一类为闭环霍尔电流传感器。闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流（IN）所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流（IM）所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时：NIN=nIM式中：N为原边线圈的匝数；IN为原边电流；n为副边线圈的匝数;IM为副边补偿电流。由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。在BMS中霍尔的使用方法和技巧将在后文进行更详细的介绍！,分流器：分流器的原理即是电路中的欧姆定律：U=I*R分流器由电阻率温度影响特小的合金制成，其阻值很稳定电流与分流器两端的电压成正比：R=U/II=U/R电流采集模块将采集到的电压进行放大再计算成电流。分流器与霍尔的优缺点：分流器优点：成本低廉，操作简单，无零漂现象，无极性缺点：当电流过大时发热严重，损耗功率；安全性较差霍尔电流传感器优点：传感器与被测电流完全隔离，安全可靠，测量范围广可测量超高电流，反应迅速可捕捉脉冲电流。缺点：成本高，有零漂无法彻底消除（可软件校正），安装有要求，方向、线束连接。电流管理不仅仅用作容量管理，BMS可通过电流方向，大小进行一些控制判定，如电流过大时可进行过流或短路保护。4.温度管控：温度管控又叫做热管理。磷酸铁锂电池的最佳工作温度范围为2030C。,BMS温度传感器：一般BMS温度传感器选用10K或100K的的热敏电阻，现在我公司则规定BMS温度传感器全部选用10K。热敏电阻是一种阻值随其阻体温度的变化呈显著变化的负温度系数的热敏感半导体电阻器。检测电路中一定值电阻与温度传感器串联通过测量定值电阻两端电压得出热敏电阻阻值，从而根据热敏电阻线性计算温度。温度传感器温度阻值线性是有范围限制的现阶段一般的温度传感器线性度范围在-40120，超过之后则无法检测，系统默认极值。一般检验温度采集是否损坏时则将温感感探头短路、短路，若出现极值则温度采集盒正常，也可测量温感探头阻值611K正常。,低温时电池容量较低，影响其使用性能。高温时电池循环寿命大大缩短，温度过高时还会产生安全问题。再者，锂离子电池在低于0C充电时也存在着安全隐患。对动力电池系统来说，电芯及电池模组的一致性是至关重要的。而电池在使用过程中不可避免的要产生热量从而导致电池温度升高。由于电芯或电池模组的位置不同，散热情况不同，从而导致其温度不同。温度的不同又反过来导致电芯及模组的性能不一致。由此可见，对电池包进行热管理，使其尽量能在最佳工作范围工作，提高其一致性，延长其使用寿命，避免安全问题等等，都是非常必要的。现阶段无法使电池组个点温度保持一致，但使其在一定温度范围内运行是完全可以做到的。BMS通过控制加热装置和散热装置来进行温度管控，又将温度上下限阀值纳入电池组电路开断管控范围，从而避免热失控。散热：前文介绍过电池存在欧姆电阻与极化电阻，在充放电过程中综合电阻过流发热，而当电池包持续大电流过流时发热量致使电池组温度持续上升，当温度达到高温报警温度时，BMS开启风扇散热（一般设定45开启风扇）当温度下降到风扇关闭温度（一般设定为35）。,加热：在我国北方冬天温度一般在零下十几度甚至几十度，虽然磷酸铁锂电池在零下40时仍能工作，但在低温状态下（5以下）电池性能大幅下降，主要表现为容量，这时候就需要对电池组加热，一般使用加热带加热。加热开启温度设定为5，加热关闭温度设定为25。为了避免部件失效造成热失控，BMS又引入了最高切断温度且此值系统会设计逻辑值一般不会超过75，通常设定为65。很多电池厂家和BMS厂家热管理时采用空调散热与加热，但这存在一个无法逃避的问题，空调与车内乘车环境是对流的，采取此方案在电池组出现异常时会对乘客造成严重影响。现在一些研究室则利用相变材料（PCM）进行温度调控。些材料在一定的温度下会发生相变（融化或凝固），伴随着吸热或放热。若找到适宜温度的相变材料，相变潜热有比较大，则是一种电池热管理材料的适宜选择。此方案就像给电池包穿上降温又保暖的“衣服”。磷酸铁锂电池则需要选熔点35的材料，当电池温度高于35时PMC融化吸热，使电池温度维持在35以下（PMC量足够）而当夜间温度降到35C以下时，PCM材料又凝固回来。这样便可以利用昼夜温度的变化来进行电池的热管理。在设计电池包与BMS温度控制时需要考虑电池组体积和散热条件，也需要考虑防水，很多时候电池组不仅仅依靠BMS及外部配件来实施热管理，更需要从整体结构上考虑通风散热与冬季保暖例如沈阳五洲龙混合动力336V100AH。,5.绝缘漏电管理：电池组漏电的风险示意图：假设SW1闭合，就相当于电池组在U2点漏电，车体变为了U1的总负U2的总正。车体是金属体，所以整个车体变成了电池组中对应电池模块点的一极。当SW2闭合后，整个车体变成一负载，此时产生的电流为I：I=(U2+U3+U4+U5+U6+U7)/（R车+RU2-U7内阻）由于车体为金属材质所以阻值较小，而电池组内阻也特小所以此时的电流是非常大的，如果直接打铁瞬间电流在几千甚至几万安培以上（具体视两漏电点的压差）。电池管系统则需要在电池只存在一个漏电点时将其检测出来，报警提示让服务人员及时排除故障。BMS通过绝缘检测模块进行检测，后文将会对绝缘检测模块进行更详细的介绍！,6.电池均衡管理：电池失配表征及原因在前文介绍了电池电压、内阻、容量、荷电、电量之间的关系。我们可以知道电池容量的不匹配包括本身容量失配、荷电失配（SOC）、电量失配。在三种情况下电池组的总容量都只能达到最弱电池串的容量。在大多数情况下，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身的化学属性变化。圆柱型锂电池在生产时需要更强的机械压力（辊压），电池之间之间更容易产生差异。锂离子材料的化学属性本身并不会造成电池不均衡问题，也布局有可逆自放电机理。但是，锂离子电池还必须经过一个过程才能使性能稳定，并将产生不可逆损耗，多数此类损耗都出现在电池电芯生产。高温放电以及在室温下放置过久也会出现少量此类不可逆损耗，这种损耗的最大比例在10%以内。所有同时入库或同时使用的电池发生这种损耗的几率一样，因此这种情况不会引起电池不均衡问题，二者之间存在着某种比例关系。大多数出现的可逆损耗在进行电池容量分类前已经再次被充电，因此此类损耗也较小，在不出现操作问题时不会引起电池不均衡问题。电池在装配前闲置过久，而如果将若干批生产时间不同的电池放到同一个电池组中将会加重这种不均衡。在此种情况下，通过容量分类但尚未装配的具有不同可逆损耗（自放电不一致）的电池将随着时间的推移累计更大的差异。即使在装配电池包后，如果如果包中的电池变化很大（尤其是当电池包放置过久）随着时间的推移，电池包内的电池不均衡也会加重。,软短路是引起某些电池不均衡的主要原因，在电池生产时的细微瑕疵可能使电池出现几千欧姆致几十千欧姆的电阻有这种高阻抗引起的自放电速率多数大于3%。很多合格的电池当出现外力因素如：杂物、跌落、撞击、振荡、高温、盖帽应力也可能出现软短路。严格来说，软短路是一种机电变化，如果电池包仅由单颗电池构成，那么这个电池可以反复充电而不出现容量损耗。而现在绝大多数电池包需要多并多串，当出现有自耗电大时造成不均衡其模式为前文荷电量（带电量不一致）影响电池组的可用容量。电池容量退化时由于生产、工艺差异而导致的电池容量降低通常生产过程造成此状况后会在分容阶段区分开来。同批次生产的电池性能通常一样，理论上电池包中的电池不会出现不均衡问题。然而a.电池本身是存在细微差异的，容量、内阻、恒流比不可能完全一致在循环过程中则会出现恶性循环差异会雨来越大b.单体电池在电池包内的位置各不相同其温升，过流状况各有不同，通过多次循环后电池个状态差异会越来越大.例如，76.8V700AH电池模块很大，因此电池包的中心位置散热比其他电池慢，那么这里的电池性能降低速度叫其他电池更快。为了克服电池不一致带来的严重影响，在电池使用中，人们清冽地提出了对电池进行均衡的要求。为此，通过十几年的发展研究者引入了BMS电池均衡管理技术。现阶段有两类电池均衡技术：无源电池均衡技术和有源电池均衡技术。,无源均衡技术也叫被动均衡：其均衡方式主要有两种1）旁路分流法，这是我们使用最多最广的一种均衡方式充电时，当某一电池的充电电压超过设定值时，通过并联在该电池的电阻分流该电池的一部分电流，从而达到各串电压保持一致的目的。其等效原理如下图所示。旁路分流均衡法等效电路原理图这种方案，体积较大，分流时发热量大，这是无法避免的，很多时候此均衡方式脱离BMS单独组成均衡模块，如原冠拓系统的均衡板模式！,五洲龙混动系列均衡板均衡电流3A,VE79系列均衡板均衡电流200ma,力高，科列，亿能及盛鸿光电都具有旁路分流均衡功能，但他们都将均衡电路集成在模块内部，不过科列旁路均衡采用的是功率管均衡电流可调，且其控制开关使用继电器均衡电路失效不会影响电池且可以设定均衡电压开启值，而其他管理系统厂家使用电阻消耗每串对应一个电阻，且控制开关使用电子式软开关，经常性会出现电路异常将电池放电致零压，金龙25650AH使用力高系统出现过此问题。盛鸿光电在使用时也发现有均衡电路失效情况，最终两家管理系统均将均衡电路取消拆解均衡电阻。2）切断法充电时，当某一电池的电压超过设定值时，通过控制开关切断该电池的电路。,切断均衡法等效电路原理图,当电池I的充电电压超过设定值时，开关K11打开，K12闭合。电池i断路，电流Iki从Ki2流过Iki。此时，电池的总电压会下降一个电池的电压。这种做法BMS没有采用，但在PACK生产充放电测试过程中经常应用此方法对电池进行均衡。不过细节操作有些许不同，生产有时会同时运用旁路分流和切断法。有源均衡又叫主动式均衡，现阶段有几种方案：1）开关电容均衡/飞度电容；2）降压变压器均衡充电3）电感能量迁移（一般通讯类保护板使用）4）变压器能量转移上述四种方案中降压变压器均衡充电是电池管理系统首选方案！,降压变压器均衡充电原理图,降压变压器均衡充电，需要外DC供电，可以是适配电池组，也可以是DC/DC。当使用DC/DC为BMS供电时则是将整个电池组的能量转移到指定电池串！科列、OPT系统均使用此均衡方式。,小结：均衡系统功率能力有限,期望均衡器代替单体更多功能不合理,单体互差应在一定限度内;不能修复以前的劣化,只能使以后的差异性不再继续恶化,长时间来看可能趋于好转;目前,动力电池产业规模还未真正形成,产品质量特性不能很稳定,电池组使用技术阻碍了产业发展,均衡系统可加速动力电池产业化进程,动力电池和电动汽车技术的发展又将为均衡系统带来更大的市场需求,均衡系统的发展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性，但现阶段BMS均衡功能过于简单，实际使用中效果很不理想，存在各种问题，很多时候BMS均衡还会出现相反的效果，在后文将就均衡进行更系统的讨论！7.报警管理管理系统检测到电池状态异常时，如：单体高压、低压，温度过低或过高，电流过大，总压过低过高，漏电异常，自身故障等管理系统根据故障类型做出判断，一般故障，一般只提供故障信息，严重故障则会保护电池组或者向车载控制器发出警报要求停车等。8.通讯管理BMS将根据设计要求向从模块发出指令，向车载控制器和协议充电机发送信息，或者通过GPRS向服务器发送数据。9.管理系统自检及日志每次上电时BMS进行自检，出现异常会保留一段时间的报警信息，在车辆运行中则会启动波形模式。10.电池组/电芯健康状态评价。现在只进行循环次数的统计。,主要的BMS厂家,1.哈尔滨冠拓电源我公司最早使用的管理系统。主要使用在2011年前的五洲龙混合动力公交，法国VE79客户，烟台海德也有使用。2.安徽力高新能源主要在五洲龙混合动力公交西部公交、厦门小金龙使用，后在通讯基站储能方面有所使用，烟台海德也有应用。3.惠州亿能电子有限公司陆地方舟、五洲龙纯电动、通讯基站有所应用4.科列技术科列是现今使用最多的管理系统，在各个客户各个领域都有使用5.OPT系统我公司自主研发的管理系统，处在研发试用阶段6.上海妙益刚与之洽谈，在一款768V20AH的储能产品上使用。7.安徽盛鸿光电刚与之合作，广西移动48V50AH,哈尔滨冠拓电源,我公司使用的冠拓管理系统有两个版本，五洲龙混合动力使用的是冠拓的第三代产品，VE79使用的是其第四代产品。管理系统由主控制器、电压采集模块、电流采集模块、绝缘电阻检测模块、彩色触摸屏（可选）、相关软件和辅助部件构成。其中电压采集模块直接连接动力电池，在电动车和混合动力汽车中，其动力线上的干扰非常强，要求电压采集模块抗干扰性非常强。在一套管理系统中，电压采集模块的数量最多，其故障率相对就高，所以要求电压采集模块的可靠性非常高。,图1,结构特征与工作原理冠拓,电池管理系统是为动力电池的使用管理设计的，用于时时监测动力电池组的运行状况，通过CAN总线控制充电机自动充电和电机控制器放电，实现全面监控保护动力电池组。电池管理系统由2个控制采集单元和一个彩色显示单元（备选件）组成，如图1管理系统包括：1个主控制器、2个电压温度采集单元、一个电流采集单元、一个绝缘电阻检测单元。其中主控制器通过内网总线与各采集单元进行通信。电压温度采集单元收集蓄电池组的单体电池电压和温度数据上传给主控制器；电流采集单元采集电流传感器的信号，将放电或充电电流上传给主控制器；主控制器通过所得数据进行分析处理，通过整车CAN总线与整车控制器、充电机进行通信，同时输出相关的报警信号，实现保证电池不过充、不过放，保护监测电池的目的。主控制器根据所得的数据，实时准确地估计SOC、预测电池的健康状况。彩色显示单元为一彩色触摸屏，可显示总电压、总电流、电池组荷电状态（SOC）、剩余电量、所有单体电压、多点电池温度、绝缘状态，设置电压、电流、电量等上下限报警参数。,冠拓GTBMS技术特性,冠拓第三代电压采集模块结构,第三代电压采集模块电路上由：10个光电开关、运放电路、双积分A/D、单片机、通信接口电路、电源电路组成。第三代电压采集模块由于采用双积分A/D采样精度高，抗干扰能力强；因为电开关，接线简单，可以采样110支电池。同时第三代存在如下问题：1、生产过程中需要对运放进行调零。工艺较麻烦；2、电压采集模块容易损坏；3、因为器件较多，当A/D部分有一个器件有问题时回造成采集电压不稳定；4、采集速度慢；5、成本较高。,第三代与第四代的对比,冠拓使用操作,1.使用前的准备和检查a.使用前请仔细检查连接线是否正确,尤其是系统电源线；b.如果正确无误，则可正常运行；,2.使用注意说明使用中注意检查各种接线是否脱落，如有接线脱落将会引起系统工作异常；使用中如果产生报警信息请及时检查处理，消除报警信息；请按使用软件说明操作。,3系统界面介绍a.首界面电池管理系统彩色触摸显示器开机后进入首页,先选择中英文语言。显示界面如右图：,首界面,b.主界面：在首界面选择“中文”选项，进入主界面如右图：总电压：动力电池组的总电压。总电流：动力电池组的总电流。储备能量：动力电池组的剩余能量。单体最高：动力电池组所有单节电池中电压最高的一节单节电池电压。单体最低：动力电池组所有单节电池中电压最低的一节单节电池电压。最高温度：动力电池组所有温度采样点中采集温度最高的温度采样点温度。菜单：点击“菜单”选项可以查看其他界面和进入参数设置。,主界面,c.温度界面：点击“菜单”选项，选择“温度”选项，进入温度界面如右：按照电压温度采样模块的先后顺序依次显示所有的温度采样点的温度。,d.详细界面:点击“菜单”选项，选择“详细”选项，进入详细界面如右：按照动力电池组从总正开始的顺序依次显示所有的单节电池电压。,e.容量界面：点击“菜单”选项，选择“容量”选项，进入容量界面如右：显示动力电池组的剩余容量。,f.充电界面：点击“菜单”选项，选择“充电”选项，进入充电界面如右：充电机状态指示：1.“充电机未连接”表示管理系统和充电机没有通讯或者充电机没有供电。2.“充电机已连接”表示管理系统和充电机通讯正常但没有向充电机发送充电指令，充电机处在静止状态。3.“正在充电”表示管理系统和充电机通讯正常且向充电机发送充电指令，充电机正在充电。SOC：用百分比的形式显示当前电池组剩余容量。温度：所有温度采样点中温度最高的采样点温度。菜单：按“菜单”继续下一步充电过程操作：充电停止返回,参数设置介绍g.参数设置界面：点击“菜单”选项，选择“设置”选项，输入密码“31766”进入设置界面如右：h.电池参数设置界面:进入参数设置界面，选择“电池参数”选项，进入电池参数设置界面如右：模块地址：“模块地址”栏对应为采集模块相应地址。从0块开始，超过10个模块翻页设置。电池数量：“电池数量”栏为采集模块管理电池的只数（012只），触摸屏输入修改只数。假设有5个采集模块，04项设置后，第5个地址不要设置任何值。温度有无：“温度有无”栏为此采集模块是否采集温度，0不采集，1采集，该栏数字可修改。一般都需要采集，设为1即可。,i.系统参数-1：点击“菜单”选项，选择“系统参数-1”选项，进入系统参数-1界面如右：电压报警上限：充电时单体电压超过此值时，系统报警，并控制充电机执行一系列动作均衡充电，防止过充。电压切断上限：电池单体电压超过该值，报警提示，控制充电机停止充电。该报警只有断电才能解除。电压报警下限：电池单体电压低于该值，报警提示，电机控制器降低输出功率。防止过放，电压慢慢回升。电压切断下限：电池单体电压低于该值时，报警断开触电，该报警只有断电才能解除。建议把该报警触电串接至油门控制处参与控制。电压互差报警：电池组中最高电池电压与最低电池电压的差值。差值达到此值，蜂鸣报警提示。温度报警上限：当最高环境温度高于该设置值时，报警提示，与电压上限报警共用一组继电器触电。,j.系统参数-2：点击“菜单”选项，选择“系统参数-2”选项，进入系统参数-2界面如右图：最高充电电流：充电机输出最大电流，与我公司BMS可以通讯的充电机有效。最大放电电流：系统允许的最大放电电流，超过时，报警提示。额定容量：指单体电池的额定容量。对应SOC值为100%。容量矫正：修正充放电时的容量损耗。循环周次：显示值为电池组的充放电次数。可清零。SOH：电池组健康指数。SOC初始化：建议在首次正常充电结束后对该项进行设置100%，设置完成后，必须选择“send”键，当前设置值才能有效，否则设置值无效。时间：系统存储所有数据所关联的时间。设置一次后，系统自动保存。,冠拓BMS注意事项及故障分析,注意事项：BMS各部分组件及通信线应远离电机等强干扰源1.5米以上。2）应保证BMS各部件处于干燥环境并且固定牢固。3）不能超出系统技术参数范围使用BMS；BMS屏蔽层应保证单端接地。4）更换系统组件时，应保证系统断电。如配有彩屏应由BMS主控制器为其供电。5）不同批次的主控制器一般不能相互替换。6）不同的地址的电压模块不能互换。如要互换需要重新写入地址。例如01号地址的模块想要替换00号地址的模块，需将01号地址的模块地址改为00。7）电池采样线不宜过长。为电压模块写入地址时应保证电压模块的电池线采样连接，而与其他模块的通讯线断开。8）电流模块和霍尔有量程范围。不同量程范围的电流模块和霍尔不能相互替换。9）BMS保存的历史数据有一定的期限，超过期限的历史数据会丢失。10）系统上位机软件应该在windowsXP操作系统下运行。Com口有专门的驱动，需单独对com口进行驱动。彩屏应放置在背阴处避免阳光直射影响画面可视度，避免放置在高温环境导致彩屏受损，发生故障。,11）BMS主控制器采用金属外壳包装、安普连接器，防潮、防震、防水。12）管理系统供电电源电压输入要求较严格，在设计之初应注意保证管理系统供电电源支路电压不会有大功率器件在使用，并且尽量避免管理系统电源供电线路中电压值出现任何的电压波动。13）模块线束在拔插时应注意首先按住插头上面的那个卡扣在推出插头，不要直接拉线拔出，否则容易断裂。14）按线束图中线号顺序正确连接线束，以免产生高电压烧毁模块。15）正确设置系统参数，以保证所测电池组数据真实准确。16）冠拓电池管理系统提供CAN总线接口，电池管理系统可以通过CAN总线与充电机和电机控制器接口。为保证电池在使用中不过充过放，请务必采用这种管理策略。17）模块出厂时已设好参数，用户如需调整，可用公司提供的软件及工具进行修改。18）插拔管理系统的各种连接线束时，应确保管理系统的电源已经断开，否则极易造成系统工作异常或损坏。19）彩屏应放置在背阴处避免阳光直射影响画面可视度，避免放置在高温环境导致彩屏受损，发生故障。,冠拓案例：深圳五洲龙,冠拓案例：深圳五洲龙,冠拓是我公司最早合作的管理系统厂家，深圳五洲龙前384台混合动力全部采用了冠拓管理系统，虽然现在冠拓