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一文入門BMS(電池管理系統(tǒng)),為什么需要BMS,BMS有什么功能
1.什么是BMS?
BMS:即動力電池的管理系統(tǒng)。它是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶,我們可以通俗的將其理解為電池包管家。
它主要的功能就是估算電池包的剩余容量和健康狀態(tài),保證其維持在合理范圍內(nèi),防止過度充放電對電池造成損傷,從而達到讓電池包可以穩(wěn)定工作的效果。
BMS可以監(jiān)測電池組的工作狀態(tài),以便判斷電池狀況,挑出存在問題的電池,保持電池運行時的可靠性和高效性。而且它能測量出每個電池單元的電壓和溫度,使電池單元電壓保持在均勻狀態(tài)下,防止過故障的產(chǎn)生。如果檢測到過熱的情況,可以控制系統(tǒng)停止充電,或減少充電組的功率消耗,使單個電池溫度恢復(fù)到安全的操作范圍。
除此之外,BMS還可以確定電池充電狀態(tài),確保所有電池均勻放電,達到最佳充電效果。
總的來說,就是汽車的電池充放電都要得到BMS的管理,如果說電池組是一隊人,而BMS就是隊長這樣的角色。
2.為什么需要BMS?
在解決問題時,我最喜歡用的思路是,為什么->是什么->怎么做。
具體在本文章,我們需要解決的第一個問題是,為什么需要BMS?直接用個超大號的電池,或者把電池芯串聯(lián)起來,不經(jīng)過管理系統(tǒng),直接給用電設(shè)備用,存在哪些問題?
鋰離子電池以其輸出電壓高、循環(huán)壽命長、能量密度大、自放電率低、工作溫度范圍廣等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于消費電子、電動汽車等領(lǐng)域。但同時,單個鋰離子電池也存在安全和可靠性方面的問題,體現(xiàn)在:
1)能量大、電壓高、且電解液大多為有機易燃物,應(yīng)用不當(dāng)時可能導(dǎo)致電池溫度升高、著火甚至爆炸;
2)過充電、過放電會導(dǎo)致電池內(nèi)部材料特性發(fā)生變化,造成不可逆的容量損失,從而導(dǎo)致性能下降,壽命縮短。過放電還會使電池內(nèi)部的鋰離子金屬化,以致引起短路甚至爆炸;
3)由于工藝的差異性,電池內(nèi)阻往往不一致,隨著充放電的循環(huán)進行,電池組內(nèi)單體電池的性能失衡,使電池組的壽命縮短。
3.BMS有哪些功能?
其一,鋰電池溫度高時會爆炸,那么BMS就需要有一個信息采集系統(tǒng)來監(jiān)測當(dāng)前電池信息,如電流、電壓、溫度等,當(dāng)存在異常參數(shù)時,需要對做出相應(yīng)的操作,如過壓、欠壓保護,關(guān)閉電源,降溫等等。
其二,電池的過充或過放會導(dǎo)致電池性能下降,那么BMS就需要估算電池電量SOC(State of Charge,充電狀態(tài),取值通常是0%~100%),將采集到的電池數(shù)據(jù)提供給主控芯片,它根據(jù)算法來估算動力電池組剩余電量SOC,提供續(xù)駛里程參考。常用電流積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波等及其組合來估算。
其三,鋰電池的實際容量會受到環(huán)境溫度、放電電流(放電倍率)、自放電及電池老化等因素的影響。那么此時就需要監(jiān)測電池的健康程度SOH(State of Health),SOH表征電池相對于新電池存儲電能和能量的能力,是定量描述電池性能狀態(tài)的指標(biāo)。隨著充放電的進行,SOH呈不斷下降趨勢。估算SOH需要通過長期監(jiān)測和統(tǒng)計電池的使用情況、充放電特性以及溫度等參數(shù)來進行評估。在實際應(yīng)用中,通常采用多種算法來進行估算,如Kalman濾波算法、移動平均法等。
其四,單體電池各項參數(shù)存在差異,如電阻、容量、自放電等不同,對應(yīng)到實際中就是電池充放電發(fā)熱不一樣,長時間不用剩余電量不同,有些可以用很久有些是弱雞。那么BMS就需要做到均衡控制。
其五,需要把電池各項參數(shù)信息采集到,交給主控處理,那么這里就需要數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示,及最重要的控制。
4.BMS拓撲結(jié)構(gòu)是啥?
BMS的拓撲結(jié)構(gòu),分為主從,集成式,若為主從,就是一個是采集,我們稱之為Battery Monitor Unit---BMU, 另外一個是主板,Battery Control Unit---BCU, 不同的公司,不同的叫法,若為集成式,大多用于HEV,因為采集的電芯比較少,故可以進行集成,下面著重解釋以下主從式,這個也是EV應(yīng)用比較廣泛的方式。
主從式電源供電方式:
- 主板12V低壓網(wǎng)絡(luò)供電
- 從板12V低壓網(wǎng)絡(luò)供電
- 采樣芯片是高壓電池供電
通信方式:
- 主板從板間是CAN通信
- 從板間是菊花鏈通信
- 主從板間都是CAN通信(這個也叫總線式)
隔離:
- 采集芯片與從板低壓網(wǎng)絡(luò)間進行隔離