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电动车崛起力道强劲 BMS肩负安全把关重任
确保安全并高效运行
[作者 王岫晨]   2019年05月16日 星期四 浏览人次: [3719]

EV电池组的每个电池,都必须单独监控其安全性并确保其高效运行,这就需要一个特殊的专用系统,称为电池管理系统(BMS)。


亨利福特於1903年创建福特汽车公司,在当时很少有人买得起汽车。它们制造成本高昂,维修费用昂贵且运行复杂。在当时,汽车仍然是少数特权阶层的奢侈品。直到,福特巧妙地使用内燃机,新的制造技术和廉价的维修设计,才能将奢侈品推向主流,永远改变了一般人的交通方式。


在时间经过了116年後,今天的人们又面临了相同的问题。随着油价??升,资源萎缩和环境压力的不断增加,世界各地的政府和民众正在寻求更好、更清洁、更有效的汽油替代品,这一点不足为奇。目前许多欧洲国家都已经开始推动甚至已经立法禁止销售新的非电动汽车。这使电动汽车(EV)行业成为今日最令人兴奋的领域之一。


2019年电动车市场发展

但就像回到一个多世纪以前的那些早期汽车一样,为大众市场生产电动汽车带来了一大堆挑战。推出内燃机(ICE)的可行替代品并不容易。技术的突破不断开启了新的可能性。但是,将这些突破转化为电机、控制技术和电池,改进和完善的模型,以及鼓励消费者广泛采用,将需要更多的时间。



图一 : 在设计BMS时需要考虑很多因素。完整的考虑因素取决於使用BMS时,确切的最终应用。
图一 : 在设计BMS时需要考虑很多因素。完整的考虑因素取决於使用BMS时,确切的最终应用。

我们可以先来观察2019年的电动车市场会有什麽变化。在今年,预期电动汽车的电池尺寸将越来越小。虽然具有更大电池和更长行驶距离的电动汽车带来更大的行动便利性,但针对城市驾驶的小型电池电动汽车市场却也正在增加当中。在未来,随着充电点数量的增加,行驶距离更短的城市EV将更为普遍。


此外,政府也一直在补贴电动汽车销售价格以刺激市场。而消费者也期待加油站成为电力供应站,例如在汽油加油机附近安装快速充电桩。这也意味着他们必须为驾驶员在充电期间提供一些娱乐,无论是喝咖啡、看电视还是购物等。


而在2019年,还将对电动车充电器进行更严格的管理,并让充电器提供更高质量的电力和更安全的功能标准。最终将要求充电器允许负载控制,确保电网能够满足充电的高需求。而随着电池价格的下降,更高的产量和更高的能量密度,也提供了更安全与更长久的驾驭距离。


为什麽需要电池管理系统(BMS)?

锂离子电池因其高电荷密度和较低的重量,而被证明是电动汽车制造商感兴趣的电池。锂离子电池的特性是尺寸很大,而性质上也较为不稳定。非常重要的是,在任何需要监控其电压和电流的情况下,这些电池不应发生过充电或放电不足的状况。只是这个过程最困难的地方在於,透过很多电池组合在一起形成的EV电池组,每个电池都必须单独监控其安全性并确保其高效运行,这就需要一个特殊的专用系统,称为电池管理系统(BMS)。



图二 :  BMS的主要功能是将锂电池维持在安全工作电压内。
图二 : BMS的主要功能是将锂电池维持在安全工作电压内。

同样的,为了从电池组获得最大电源效率,我们应该在相同的电压下,同时对所有电池完全充电和放电,而这就再次需要透过BMS。此外,BMS还将肩负起许多其他的功能。


BMS设计考虑因素

在设计BMS时需要考虑很多因素。完整的考虑因素取决於使用BMS时,确切的最终应用。除了EV的BMS之外,还可以应用在任何采用锂电池组的地方,例如太阳能电池板阵列、风车、电力墙等。无论应用为何,BMS设计都应考虑一些重要因素。


放电控制

BMS的主要功能是将锂电池维持在安全工作电压内。例如,典型的18650锂电池的欠压额定值约为3V。BMS有责任确保电池组中的所有电池都不会在3V以下放电。


充电控制

除了放电,充电过程也应由BMS监控。大多数电池在充电不当时,往往会受到损坏或寿命缩短。对於锂电池充电器所使用的充电器来说分为两级,第一级被称为恒流(CC) ,在此期间充电器输出恒定电流对电池进行充电。当电池接近满时,第二级称为恒压(CV)阶段,在该阶段期间以非常低的电流向电池提供恒定电压。BMS应确保充电期间的电压和电流不超过可渗透限制,以免电池过充或快速充电。一般来说,最大允许充电电压和充电电流,都可在电池的数据表中找到。


充电状态

这是EV的燃料指标,它实际上告诉我们电池组的电池容量百分比。就像我们手机里的一样。但它并不像听起来那麽容易。系统需随时监控电池组的电压和充放电电流,以预测电池的容量。一旦测量到电压和电流,就会有很多算法可用於计算电池组的容量。最常用的方法如库仑计数法。


健康状况

电池健康状态通常需要知道两点,一是电池充电状况(SOC),这表示目前电池的充电比率,完全充饱的电池的充电状况为100%。在电池使用後或是长时间放置後都会造成电池的开路电压下降,因此充电状况的百分比数值也会跟着下降。此外,电池健康状况(SOH)则是 衡量电池的起使电流输出能力的指标,全新的电池可以达到100%的SOH电池健康状况。


电池的容量不仅取决於其电压和电流曲线,还取决於其年龄和工作温度。SOH测量根据其使用历史,可告诉我们电池的使用年限和预期寿命周期。通过这种方式,我们可以知道EV的里程数(完全充电後覆盖的距离)会随着电池老化而减少多少,并且我们也可以知道何时应该更换电池组。


电池平衡

BMS的另一个重要功能是维持电池间的平衡。例如,在一组串联连接的4个电池中,所有四个电池的电压应始终相等。如果一个电池比另一个电池的电压低或高,它将影响整个电池组,例如一个电池处於3.5V而另外三个电池处於4V。在充电期间,这三个电池将达到4.2V而另一个电池刚刚达到3.7V。相同的,该电池将是第一个放电至3V的电池。这样一来,由於该单电池的状况不同,电池组中的所有其他电池将不能用於其最大电位,进而影响效率。


为了解决这个问题,BMS必须实现一种称为单元平衡的方法。有许多类型的电池平衡技术,但常用的是主动与被动型的电池平衡。在被动平衡中,其想法是具有过电压的电池将透过类似电阻器的负载强制放电,以达到其他电池的电压值。至於主动平衡期间,较强的电池将用於给较弱的电池充电,以使其电位均衡。


热控制

锂电池组的寿命和效率有很大程度取决於工作温度。与正常室温下相比,电池在炎热气候时放电更快。除此之外,高电流的消耗将进一步增加温度。这需要电池组中的热系统(主要是油)来加以调控。这种热系统主要作用在於降低温度,但如果需要,也应该能够在寒冷气候下提高温度。BMS负责测量每个电池温度,并相对应地控制热系统以维持电池组的整体温度。


更低的系统功耗


图三 :  BMS身为电池组和EV的引擎控制器(ECU)之间的桥梁,必须将BMS收集的所有信息发送到ECU,以显示在仪表板上或仪表板上。
图三 : BMS身为电池组和EV的引擎控制器(ECU)之间的桥梁,必须将BMS收集的所有信息发送到ECU,以显示在仪表板上或仪表板上。

即使汽车正在运行中、充电中或处於待机模式,BMS也应处於活动状态并持续运行。这样的状况使得BMS电路必须被连续供电,因此BMS系统必须消耗非常少的功率,才不会耗费太多电力。当EV未充电数周或数月时,BMS和其他电路往往会自行耗尽电池,最终需要在下次使用前进行重新充电。这样的问题即使在特斯拉这种知名车款上,仍然很常见。


电流隔离

BMS身为电池组和EV的引擎控制器(ECU)之间的桥梁,必须将BMS收集的所有信息发送到ECU,以显示在仪表板上或仪表板上。因此,BMS和ECU应该透过CAN,或LIN总线等标准协议来持续进行通讯。BMS设计也必须能够在电池组和ECU之间提供电流隔离。


数据记录

由於BMS必须存储大量数据,因此拥有更大的记忆库非常重要。只有在知道电池的充电历史时,才能计算出电池的健康状态。因此,BMS必须从安装之日起,就追踪电池组的充电周期和充电时间,这将有助於为工程师提供售後服务或分析EV的充电问题。


精确度

当电池充电或放电时,电压会逐渐增加或减少。不幸的是,锂电池的放电曲线(电压对比时间)具有平坦区域,因此电压的变化非常小,必须准确测量此变化。设计良好的BMS可以具有达到±0.2mV的精度,最小精度至少需要1~2mV。而通常在此过程中会使用16位元ADC。


结语


图四 : 针对城市驾驶的小型电池电动汽车市场正在增加当中。未来行驶距离更短的城市EV将更为普遍。
图四 : 针对城市驾驶的小型电池电动汽车市场正在增加当中。未来行驶距离更短的城市EV将更为普遍。

值得注意的是,电动汽车逐渐朝向简单化设计,其结果将能驱动各不同面向的成本降低,一个明显的例子就是电池本身。较小的电池意味着更轻的汽车重量,这将使得汽车底盘、制动器、充电技术、电机功率等的额外成本获得节省。小容量的电动汽车将有助於降低充电技术的电力耗损,并且更容易平衡充电需求。搭配更有效率的BMS系统,将能让电动车上路行驶更加安全。


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