BMS总结

BMS总结

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_64755790/article/details/142521868

电池管理系统（BMS）是电动汽车、储能系统、移动设备等电池应用中不可或缺的核心组件。它通过精确监测和控制电池的电压、温度和电流等关键参数，确保电池组在安全范围内运行，延长电池寿命，并提供准确的状态信息。本文将详细介绍BMS的拓扑结构分类、主要功能及其具体实现方式。

BMS按照拓扑分类

1. 集中式

集中式BMS是一种所有电子设备集中在一个封装内的设计。从封装内部延伸出一束导线，连接到单体电池上。

• 优点：结构紧凑，易于维护；成本低
• 缺点：在大型应用中，导线可能过长，影响效率和可靠性

2. 模块式

模块式BMS由多个相同的子模块组成，每个子模块分别连接到电池内部不同的模块。其中一个子模块作为主模块，负责管理整个电池模块并与系统其他部分通信。

• 优点：易于扩展，根据需要增加子模块
• 缺点：成本相对较高；需要额外导线，增加系统复杂性

3. 主从式

主从式BMS包括一个主模块和多个从属模块。主模块负责计算和通信，而从属模块则专注于测量电压。

• 优点：易于扩展，根据需要增加子模块；从属模块成本较低，且功能单一，易于维护
• 缺点：存在资源闲置问题

4. 分布式

在分布式BMS中，电子器件直接安装在与单体电池一体的电路板上，减少了单体电池和电子器件之间的连接线。

• 优点：减少连接线，提高整体效率
• 缺点：维护和组装更为复杂

BMS功能

电池管理系统（Battery Management System，简称BMS）是用于电动汽车、储能系统、移动设备等电池应用中的一套系统。它的主要功能是监控、保护、控制和优化电池充放电过程，以确保电池组的安全、延长电池寿命、提高系统效率，并为系统提供准确的状态信息。

一、测量

收集数据（单体电池电压、典型单体电池温度、电池组电流）

1. 电压

BMS通过电压传感器监测每个电池单体的电压，确保它们在安全范围内工作。

• 电压检测方式：

• 分布式BMS可以直接测量单体电池电压

• 测量电池内的分接头电压，并计算两个分接头之间的电压差。（单极复用）

• 测量单体电池两端的分接头，并计算其电压差值。（一次测两端）

• 读取速度：

• 备用电源模式：读取速度1min/点或10s/点

• 电流频繁变化（电车）：1s/点

• 研究领域：10点/s或100点/s

• 数据精度：（大多数10mV--30mV）

• 数据精度要求取决于其使用模式

• 电池满充放：100mV精度

• 充电时为保护电池的高度均衡性：50mV

• 通过OCV-SOC曲线任一端实现根据OCV（开路电压）精确估算单体电池SOC（电池剩余容量）：10mV，否则会有10%误差。

• 通过OCV-SOC曲线的中间坪特性区域（20%--80%SOC段）根据OCV精确估算单体电池SOC：1mV。

• 隔离：电压高位单体电池与电压低位单体电池以及接地参考的单体电池隔离放置，否则会潜在形成一个电流环流路径，使用者可能会被电击。

2. 温度

需要测量电池组、电池或独立单体电池温度

• 原因：

• 电池在外界处于特定温度范围时不能放电，也会在另外更窄的温度范围内 不能充电；

• 由于内部问题（损坏或滥用）或外部问题（电源连接不佳，本地热源）导致电池变热时，应对系统发出警告。

• 测温度方式：

• 分布式BMS可以测量每一个单体电池的温度，

• 非分布式BMS只能测量整体电池模块的温度

3. 电流

原因：

1. 防止电池内的单体因为续流而超出安全区域（SOA）。
2. 简易显示电池电流。
3. 防止电池内流经的电流峰值或以续流形式超出安全区域。
4. 计算单体电池内部直流电阻。
5. 通过流经电池的电流与电池内阻的乘积计算电阻。

• 电流测量方式

1. 分流器。
即电流（I）通过一个电阻（R）时会产生电压（V）降。具体来说，分流器（也称为shunt电阻）是一个精确的、低阻值的电阻器，它被串联在电池的工作回路中。当电流流过这个分流器时，会在其两端产生一个与电流大小成正比的压降。（即欧姆定律）
测量原理可以概括为以下几个步骤：
1.串联分流器：在电池的正极和负载之间串联一个分流器。这个分流器的阻值非常小，通常在微欧姆（micro-ohms）级别。
2.产生压降：当电流流过分流器时，根据欧姆定律，电流乘以分流器的阻值会产生一个压降（V = I * R）。这个压降虽然很小，但是可以通过精确的测量设备检测到。
3.测量电压：使用高精度的电压测量设备（如模拟或数字电流检测放大器）来测量分流器两端的压降。
4.计算电流：通过测量得到的电压值除以分流器的阻值，可以得到流过分流器的电流大小。即 I = V / R。
5.数据输出：测量得到的电流数据可以用于BMS的监控和控制，以确保电池在安全的工作范围内运行，并进行状态监控和充电管理。
比如：100A电流表配套的分流器阻值为0.00075欧；
即100A0.00075欧=75mV；
50A电流表配套的分流器阻值为0.0015欧；
50A0.0015欧=75mV。

2.霍尔效应传感器。
公式：霍尔电压U=材料系数×（电流I×磁场强度B）/导体板厚度d
由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0
我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器
霍尔效应_百度百科

二、管理

从以下三个方面：
①保护：禁止电池工作在安全区域以外
②平衡或再分配：使电池模块容量最大化。
③热管理：主动动作使电池工作在安全区域以内（简易版BMS可能不具备）

1. 保护

保证单体电池工作在安全区域以内；BMS可能中断电流或发出中断请求或减小电流。

• 监测模式：

• 电池模块电流。（电流接近限值时，BMS要求电流减小）

• 单体电池电压。（接近上限时，关停电流或减小电流；接近下限时，控制放电电流。通过检测电池电压最小值的均值判断）

• 单体电池或电池模块温度。

• 电流中断：保证电池组工作在安全区域内

1. 请求关断：SOC处于或接近边界条件时，检测板块协同平衡板块可以通过控制外部系统减少或停止使用电池组以达到目的。

• 监控器：可以测量每个单体电池电压；出现故障时，自动采取措施，向其他设备发送指令以达到减少或切断电池组电流的目的。
• 均衡器：比监控器多了均衡电池的功能。（大型锂离子电池组首选）

2. 直接关断：保护板块会切断电池电流以防电池组运行于安全区域外。保护板块无须依靠其他系统，通过开关直接控制流经其内部的电流。

• 保护器：比均衡器一个可断开关（无法应付大功率负载，应用于消费品级电子产品）

2. 热管理

锂电池温度范围（-2060℃）；电动汽车（-4085℃）

电池对温度敏感性很高，当气候炎热或锂离子电池处于散热不良的情况下时，锂离子电池产生的热量会导致自身温度过高，这对锂离子电池的耐用性、安全性和性能产生负面的影响。低温下锂离子电池离子迁移速度降低，这使得其在低温下的性能较差。 因此，高效的热管理系统是使电池保持性能的重要措施。根据冷却介质的不同，电池的主要冷却方式可以分为空气冷却、液体冷却、PCM冷却、热管冷却。

• 加热：可能包括电阻加热、热泵系统或冷却液预热等。

• 例如，比亚迪的脉冲自加热技术，通过让两个电池包相互充电，利用低温下电池内阻大的特点产生热量，使电池由内而外均匀升温。

• 冷却

3. 均衡

在保证单体电池不会过充的前提下，留出更多的可充电空间。使所有电池都有相同的SOC；（优化木桶效应）

• 均衡电池组的方式：主动均衡与被动均衡

被动均衡：一般采用电阻放热（电容载体）的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的，电路简单可靠，成本较低，但是电池效率也较低。

• 优点：结构简单，成本低，适用于小容量，低串数锂电池应用。
• 缺点：能量损耗大，效率低下，只能对高电压电池放电，无法改进劣质电池。

主动均衡：充电时将多余电量转移至高容量电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯，可提高使用效率，但是成本更高，电路复杂，可靠性低。未来随着电芯的一致性的提高，对被动均衡的需求可能会降低。

• 优点：能量利用率高，适用于大容量，高串数的锂电池应用。
• 缺点：结构复杂，成本较高，技术实现嫩度大。

• 均衡算法：基于以下方式展开：
• 电压
• 末时电压
• SOC历史情况

4. 再分配

再分配与主动均衡相似，并且再分配算法相比之下也较为复杂。通过将电池内部打乱重新分配能量，以达到充分利用电池的目的。放电时，能量取自容量最高的单体电池，那么容量最低的单体电池不再是整体电池的短板，再分配的影响就是电池SOC以及每个单体电池的SOC总是相等。放电期间，所有单体电池开始于100% SOC，结束于0% SOC。

• 举例：
• A电池能量多20%，B电池能量少20%；将AB组成电池组，如果不进行再分配，那么电池组的电量受限于B电池，仅能放电48min；如果进行再分配，可以将A电池能量转到B电池中，此时电池组可以放电60min。

三、评价

依据测得的数据，BMS可以计算或估计电池组水平的相关参数，包括：

• 荷电状态(SOC),放电深度(DOD)
• 电阻
• 容量
• 健康状态(SOH)

通常情况下，模拟BMS不具备该功能，大多数数字BMS只具有估算SOC能力，只有最复杂的BMS才会具备上述功能。这些评估功能不是为了保护电池组，只是为了使用者方便；如SOC给出了电池组还能用多久，SOH给出了何时更换电池组的预警；但这些参数不是十分准确，目前也无法做到。

荷电状态(SOC),放电深度(DOD)

是指确定电池当前剩余电量的多少，它是电池管理系统（BMS）中的一个核心功能。

• 用户一般都希望知道电池SOC和DOD，就好像汽车驾驶员想知道油箱内的油还有多少一样；但是测量油箱比估算SOC要容易得多；油箱内的油可以直接测量，然而SOC却不能，估算锂离子电池的SOC和DOD是模糊科学，甚至是一个猜想游戏。至今不存在直接测量锂离子电池SOC的方法，只有估算，并且受到很多限制（各家的算法不同）。

• 测量方法

开路电压法（Open Circuit Voltage, OCV）

• 原理：通过测量电池在静止状态下的开路电压来估算SOC。
• 特点：不同SOC对应不同的开路电压值，通常需要建立电压与SOC的关系曲线（查找表）。
• 优点：相对精确，适合在电池静置时使用。
• 缺点：需要电池在静止状态，无法实时监测
  电压与SOC呈线性关系，但是锂离子电池不适用；锂离子电池电压在中间较长时间区间几乎不变。

库仑计数法（Coulomb Counting）

• 原理：通过测量电流并积分来计算SOC。
• 优点：实时性强，能够反映充放电过程，计数的相对值非常精确。
• 缺点：对初始SOC的依赖较大，长时间使用可能导致误差累积
  因为库仑计数器属于开环估算器，所以电流传感器的误差会被估算器一直累积。当SOC 估算器通过长时间周期的运行，累积的误差也就越来越大。同时地，当电流传感器出现比较大的误差时，可能会更快的生成错误的结果；（包括初始SOC误差，电池老化误差且无法检测）

技术结合

• 原理：结合多种方法（如库仑计数法和开路电压法）进行SOC估算。
• 优点：提高估算的准确性和可靠性，适应不同工况。
• 缺点：需要进行复杂的数据融合。
  库伦计数可以被用于估算锂离子电池的DOD，并且只在某些点对其进行校准即可。

健康状态(SOH)

目前，电池SOH 定义主要有以下两种方式：

容量定义：随着老化程度的加剧， 电池容量不断衰减， 容量定义通过电池当前的可用容量与电池初始的额定容量之比来表征SOH[37]，如下式所示：
式中， 𝑆𝑂𝐻C表示容量定义下的电池 SOH； 𝐶current表示电池当前的可用容量； 𝐶new表示的是新电池的可用容量。

内阻定义：电池老化的另一个表现则为电池内阻的增加， 因此， SOH 的内阻定义如下式所示：
式中， 𝑆𝑂𝐻R表示内阻定义下的电池 SOH； 𝑅EOL表示电池达到寿命结束时的内阻； 𝑅current表示电池当前的内阻；𝑅new表示新电池的内阻。