BMS知識(shí)講座-rev課件

BMS室電池管理系統(tǒng)知識(shí)講座中航鋰電技術(shù)研究院匯報(bào)人：呂少鋒6/4/2023BMS室什么是電池管理系統(tǒng)為什么需要BMSBMS功能、組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第一篇6/4/2023BMS室什么是電池管理系統(tǒng)？電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem）來自Wikipedia的定義：

ABatteryManagementSystem(BMS)isanyelectronicdevicethatmanagesarechargeablebattery(cellorbatterypack),suchasbymonitoringitsstate,calculatingsecondarydata,reportingthatdata,protectingit,controllingitsenvironment,and/orbalancingit.個(gè)人觀點(diǎn)：

電池管理系統(tǒng)是一種能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行監(jiān)控和管理的電子裝置，通過對(duì)電壓、電流、溫度以及SOC等參數(shù)采集、計(jì)算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)、提升電池的綜合性能。6/4/2023BMS室為什么鋰電池需要BMS？安全需求：

鋰電池的缺點(diǎn)是“嬌氣”，1次過放電就會(huì)造成電池的永久性損壞。極端情況下，鋰電池過熱或者過充電會(huì)導(dǎo)致熱失控、電池破裂甚至爆炸。鋰電池需要BMS來嚴(yán)格控制充放電過程，避免過充、過放、過熱。功能需求：

鋰電池在使用過程中需要知道電池的SOC參數(shù)，通過SOC預(yù)測電池的剩余電量。BMS能夠?qū)崟r(shí)測算鋰電池的SOC，滿足客戶應(yīng)用需要。

大容量鋰電池存在比較明顯的不一致性，不一致性會(huì)影響電池的充放電能力及循環(huán)壽命。BMS能夠通過均衡改善不一致性，提升鋰電池整體性能。電池在不同的溫度下會(huì)有不同的工作性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為25～40℃。溫度的變化會(huì)使電池的SOC、開路電壓、內(nèi)阻和可用電量發(fā)生變化，甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖Ｍㄟ^BMS可以控制電池工作的環(huán)境溫度，改善電池特性。6/4/2023BMS室鋰電池工作原理6/4/2023BMS室過充過放的本質(zhì)鋰電池充放電過程

充電時(shí)，鋰離子從正極板脫嵌，通過電解液嵌入到負(fù)極板上；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極板上脫嵌，并經(jīng)由電解液嵌入到正極板上；鋰離子電池的充放電過程是鋰離子在極板上的嵌入和脫嵌過程。充電時(shí)，隨著鋰離子的脫嵌，正極材料體積會(huì)發(fā)生一定量的收縮；放電時(shí)，隨著鋰離子的嵌入，正極材料體積會(huì)發(fā)生一定量的膨脹。

過充時(shí)，正極晶格會(huì)產(chǎn)生崩塌，鋰離子在負(fù)極會(huì)形成鋰枝晶從而刺破隔膜，造成電池的損壞。

過放時(shí)，正極材料活性變差，阻止鋰離子的嵌入，電池容量急劇下降。如果發(fā)生正極材料體積過度膨脹，也會(huì)破壞電池的物理結(jié)構(gòu)，造成電池的損壞。6/4/2023BMS室BMS的基本功能單體電池電壓采集；單體電池溫度采集；電池組電流檢測；單體/電池組SOC測算；電池組SOH評(píng)估；充放電均衡功能；絕緣檢測及漏電保護(hù)；熱管理控制（散熱、加熱）；關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄（循環(huán)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)）；電池故障分析與在線報(bào)警；通信功能（能夠與充電機(jī)、電機(jī)控制器等通信）。6/4/2023BMS室BMS組成示意圖圖中所示為億能BMS，采用主從結(jié)構(gòu)(Master-Slave)，包含一個(gè)主控多個(gè)從控，每個(gè)從控最多管理60支電池。主控與充電機(jī)、車輛控制器通過外部CAN總線通信，主控與手持設(shè)備通過RS232通信，主從之間通過內(nèi)部CAN總線級(jí)聯(lián)。從控實(shí)現(xiàn)電壓采集、溫度采集、熱管理，主控兼顧電流測量、絕緣檢測以及與其他設(shè)備通信等功能。6/4/2023BMS室BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)---Distributed定義：電壓、溫度采集以及均衡等功能等分布到每支電池，通過總線與主控通信。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)、構(gòu)造簡單，連線少，可靠性高，便于擴(kuò)展。缺點(diǎn)：每支電池都需要一塊控制板，安裝繁瑣、成本高。實(shí)例：GENASUNGLD，Elithion

Lithiumate

BMS。6/4/2023BMS室BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)---Centralized定義：電壓、溫度采集以及均衡等所有功能均由主控完成（無從控），主控與電池?zé)o總線通信，直接導(dǎo)線相連。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)、構(gòu)造簡單。缺點(diǎn)：連線長、連線多，可靠性不高，管理電池?cái)?shù)量不能太多。實(shí)例：

FlexBMS48，

JustPowerBMS系列某產(chǎn)品（BattMindCseries）

。6/4/2023BMS室BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)---Modular定義：一主多從結(jié)構(gòu)，電壓、溫度采集以及均衡等功能由從控完成，一個(gè)從控管理若干電池，主控與從控總線通信（也稱為Master-Slave）。優(yōu)點(diǎn)：不需要在每支電池上安裝控制電路板，連接靈活；從控離電池近，避免過長連線；便于擴(kuò)展。缺點(diǎn)：需要考慮主從之間的通信隔離，通信多樣、控制復(fù)雜。實(shí)例：國內(nèi)主流BMS結(jié)構(gòu)，億能、冠拓、力高、寧波拜特BMS40、中航鋰電自研BMS。6/4/2023BMS室SOC、SOH電池不一致性分類、定義均衡方法、均衡過程、均衡誤區(qū)第二篇6/4/2023BMS室SOC定義及表示方法StateofCharge(SoC):100%>SoC>0%SoC=(remainingcapacity)/

(capacityoffullychargedbattery)SoC=(remainingcapacity)/(TotalamountofusablechargeatagivenC-rate)SoC=(Cn–Qb)/CnCn:nominalcapacityQb:netdischargeRemainingCapacity≠UsableCapacityUsablecapacitydependsonthecutoffvoltageUsablecapacitydependsontheageofthebatteryCapacityoffullychargedbattery≠TotalamountofusablechargeatagivenC-rate≠Cn6/4/2023BMS室SOC定義及表示方法定義SOC（StateofCharge）SOC=1–（Qdischarge/Qrated）=Qrest/Qrated

SOC表征電池的荷電狀態(tài)，計(jì)算方法如上式，其中Qdischarge為已經(jīng)放出電量，Qrated為額定電量，Qrest為剩余電量。SOC表示方法化學(xué)法：通過測量電解液的比重或PH值來指示電池的SOC（沒有密封的鉛酸電池）。電壓法：建立電池充放電過程中電壓與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過讀取的電壓參數(shù)來反映SOC（受電流和溫度影響）。電流積分：即所謂的安時(shí)積分法，將充放電電流與充放電時(shí)間進(jìn)行積分，計(jì)算電量（需要校準(zhǔn)）。壓力法：電池內(nèi)部壓力隨著充電的持續(xù)而增加，根據(jù)測量到的壓力判斷SOC大?。ㄟm用于鎳氫電池）。6/4/2023BMS室鋰電池SOC測算方法電壓法不依賴于歷史狀態(tài)，無累積誤差，各單體SOC相對(duì)獨(dú)立；但是鋰電池電壓曲線平緩，不易判斷。電阻測量法：用不同頻率的交流電激勵(lì)電池，測量電池內(nèi)部交流電阻，通過計(jì)算模型得到SOC估計(jì)值；但SOC與電阻等參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法難以建模。AH積分法依賴于歷史狀態(tài)，有累積誤差，有均衡的情況下SOC測算難度加大；但AH積分法可以通過補(bǔ)償、校準(zhǔn)提高精度，目前應(yīng)用最廣泛。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法。6/4/2023BMS室鋰電池SOH定義SOH（StateofHealth）即電池的健康狀態(tài)，是用來表征電池是否可以正常工作的一個(gè)指標(biāo)，當(dāng)SoH較差時(shí)電池可能已經(jīng)處于失效狀態(tài)。SOH主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：FullDischargeTest（容量衰減）SoH=(measuredcapacity)/(ratedcapacity)1>SoH>0AbatteryisatitsendoflifetimeatSoHof0.8.

(EnergyInstituteBatteryResearchGroup)Increaseininternalresistanceresultingactivepowerloss（內(nèi)阻增大導(dǎo)致有源功耗）Increaseinselfdischargerate（自放電率增大）Countingcharge/dischargecycles（循環(huán)次數(shù)累加）Voltagedropduringinitialdischarge（初始放電電壓下降）6/4/2023BMS室電池第一類不一致性第一類不一致性：電池自身容量的差異導(dǎo)致的不一致性。第一類不一致性由電池生產(chǎn)制造工藝不完善導(dǎo)致，同一批次電池容量有一定的離散性。假設(shè)#1,

#2和#3三支100AH串聯(lián)電池的實(shí)際容量分別為95AH,

100AH,

105AH,即存在第一類不一致性，容量差異為10AH;三支電池的初始電量為均為60AH,此情況下純粹由第一類不一致性導(dǎo)致的SOC最大差異將為9%（充放電末端達(dá)到最大值），SOC最小差異為5%左右。當(dāng)前電量60AH當(dāng)前電量60AH當(dāng)前電量60AH實(shí)際容量95AH實(shí)際容量100AH實(shí)際容量105AH#1#2#3SOC=52.6%SOC=50%SOC=47.6%6/4/2023BMS室第一類不一致性的影響第一類不一致性影響：充電時(shí)#1電池先達(dá)到截至電壓,充電終止;放電時(shí)三支電池幾乎同時(shí)達(dá)到截至電壓,放電終止;電池組的充放電能力受容量最小單體(#1)制約,實(shí)際只有95AH。充電放電當(dāng)前電量0AH當(dāng)前電量0AH當(dāng)前電量0AHSOC=0%SOC=0%SOC=0%當(dāng)前電量95AH當(dāng)前電量95AH當(dāng)前電量95AHSOC=100%SOC=95%SOC=90.5%6/4/2023BMS室電池第二類不一致性第二類不一致性：純粹由各個(gè)單體電池初始電量差異導(dǎo)致的不一致性。第二類不一致性不依賴于第一類不一致性存在。電池組在實(shí)際應(yīng)用過程中因?yàn)閮?nèi)阻差異、自放電率差異等原因，第二類不一致性會(huì)從無到有，從弱到強(qiáng)。假設(shè)#1,

#2和#3三支串聯(lián)電池的實(shí)際容量均為100AH,即不存在第一類不一致性;三支電池的當(dāng)前電量為55AH,

60AH,

65AH,由此導(dǎo)致的SOC差異為10%，電量最大差異10AH。實(shí)際容量100AH實(shí)際容量100AH實(shí)際容量100AH#1#2#3SOC=55%SOC=60%SOC=65%當(dāng)前電量55AH當(dāng)前電量60AH當(dāng)前電量65AH6/4/2023BMS室第二類不一致性的影響第二類不一致性影響：充電時(shí)#3電池先達(dá)到截至電壓,充電終止;放電時(shí)#1先達(dá)到截至電壓,放電終止;電池的實(shí)際容量是100AH,然而充放電能力實(shí)際只有90AH。充電放電當(dāng)前電量0AH當(dāng)前電量5AH當(dāng)前電量10AHSOC=0%SOC=5%SOC=10%當(dāng)前電量90AH當(dāng)前電量95AH當(dāng)前電量100AHSOC=90%SOC=95%SOC=100%6/4/2023BMS室如何解決電池存在的不一致性BMS可以通過均衡功能解決電池組使用過程中存在的第一類不一致性和第二類不一致性。均衡分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡以電阻能耗法為代表，該方法可以實(shí)現(xiàn)充電均衡。主動(dòng)均衡DC/DC變換器為代表，基于此主動(dòng)均衡又可以分為以下四種方式，每種方式均可以實(shí)現(xiàn)充電均衡和放電均衡：電池組向單體均衡（放電均衡效果尤佳）；單體向電池組均衡（充電均衡效果尤佳）；電池組與單體之間雙向均衡；單體與單體之間均衡。實(shí)際應(yīng)用中第一類不一致性和第二類不一致性同時(shí)存在,嚴(yán)重影響電池組的充放電循環(huán)能力。SoCRAZY!!!6/4/2023BMS室常見的均衡方法示意圖6/4/2023BMS室主動(dòng)均衡詳細(xì)示意圖6/4/2023BMS室關(guān)于均衡的認(rèn)識(shí)誤區(qū)均衡能夠修復(fù)性能惡劣的電池：均衡不能對(duì)性能下降的電池進(jìn)行修復(fù)，只能緩解不一致性造成的影響；均衡可以代替電池分選：電池分選不可替代，解決不一致性依賴于均衡的原理及均衡能力，均衡只能起到調(diào)理作用，“治標(biāo)不治本”；純粹的充電均衡或者放電均衡可以解決不一致性問題：純粹的充電均衡或者放電均衡只能解決第二類不一致性問題，且依賴于均衡能力，對(duì)電池自身容量差異（第一類不一致性）毫無辦法，只有同時(shí)具備充放電均衡才能改善第一類不一致性；均衡能夠提升電池使用安全性：理解比較片面、狹隘，電池使用的安全性不依賴于均衡。6/4/2023BMS室如何選擇BMSBMS認(rèn)識(shí)誤區(qū)BMS、電動(dòng)車與新能源關(guān)系第三篇6/4/2023BMS室如何正確選擇BMS（1）首先要確保BMS的穩(wěn)定性和可靠性。穩(wěn)定性和可靠性是BMS的基礎(chǔ)，忽視穩(wěn)定性和可靠性其他一切無從談起。識(shí)別方法：根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)、選擇大品牌。其次要考慮BMS功能，根據(jù)客戶需求考慮所應(yīng)具備的功能：單體電池電壓采集

單體電池電壓采集必須具備，因?yàn)锽MS需要根據(jù)采集到的每支單體的電壓判斷充電終止和放電終止條件，防止過充電和過放電，保護(hù)電池使用安全。要與BMS廠商進(jìn)行技術(shù)交流，了解其過充過放保護(hù)機(jī)制是否科學(xué)。單體電池溫度采集

當(dāng)前市場上BMS多數(shù)不具備檢測所有單體電池電芯溫度的功能，但是從技術(shù)角度考慮，采集每支電池的電芯溫度非常重要。電池連接松動(dòng)、使用不當(dāng)、內(nèi)部出現(xiàn)故障等情況下，很重要的表現(xiàn)就是溫度上升，通過檢測每支電池的電芯溫度可以實(shí)時(shí)了解電池運(yùn)行狀況，提供異常報(bào)警，避免發(fā)生事故。

6/4/2023BMS室如何正確選擇BMS（2）電流測量

幾乎所有的BMS都具備電流測量功能，BMS將測量到的電流傳遞給主控制器，形成閉環(huán)反饋控制。一方面可以準(zhǔn)確控制充電過程中充電機(jī)的輸出電流，實(shí)現(xiàn)既定充電策略；另一方面控制負(fù)載放電電流，保護(hù)電池放電過程中的安全。BMS對(duì)電流測量的精度要求很高，因?yàn)樵S多BMS的SOC基于電流計(jì)算，高精度的電流測量才能夠保證高精度的SOC計(jì)算。選擇BMS時(shí)，電流精度越高越好。SOC測算

SOC測算是BMS必不可少的功能，通過SOC用戶可以預(yù)估電池的剩余電量。單體電池的SOC測算也非常重要，因?yàn)樽钚误w的SOC決定了整個(gè)電池組的SOC，也有廠家通過單體SOC判斷均衡使能。但是SOC測算是行業(yè)難題，很難有一種算法能夠適應(yīng)所有型號(hào)電池以及所有使用條件。因此，在選擇BMS適當(dāng)考慮其SOC精度即可，不可過分迷戀廠家吹噓的指標(biāo)。

6/4/2023BMS室如何正確選擇BMS（3）均衡功能

對(duì)于鋰電池而言，BMS需要均衡功能，但是由于技術(shù)和成本等原因并非所有BMS都具備均衡。選擇均衡要看兩個(gè)方面：均衡形式（充電均衡、放電均衡還是充放電均衡？）和均衡能力（多大的均衡電流？）。如果只是解決第二類不一致性問題，僅僅是充電均衡或者放電均衡就可以了，均衡電流不需要非常大（1A左右即可）；對(duì)于第一類不一致性，必須同時(shí)具備充電均衡和放電均衡才能改善，并且要求大電流均衡，均衡電流的值與具體的不一致性程度有關(guān)。還要考慮熱管理、故障報(bào)警及保護(hù)等因素。最后要考慮BMS的使用方便性。要求尺寸小，便于安裝，便于維護(hù)，擴(kuò)展性要好，智能化程度高等。

6/4/2023BMS室關(guān)于BMS的認(rèn)識(shí)誤區(qū)以下僅為個(gè)人觀點(diǎn)，僅供參考功能越多越好。功能能滿足需要即可，并非越多越好，系統(tǒng)越簡單可靠性才可能越高?？桃庾非箅妷夯驕囟鹊葏?shù)的采集精度。理由如上，精度滿足需要即可，過高的精度不一定會(huì)帶來BMS性能的提升，相反會(huì)增加成本。BMS能夠修復(fù)性能差的電池。BMS不能修復(fù)性能差的電池，充其量能夠減緩其變差、抑制其影響。均衡能解決電池自身容量不一致性。單獨(dú)的充電均衡或者放電均衡對(duì)容量差異無明顯改善作用，只有大電流充放電均衡才能改善容量不一致性。盲目追求充電或放電截止電壓一致。對(duì)于只有充電均衡或者放電均衡的BMS，盲目追求末端的截止電壓一致性無任何意義，只是花瓶。只有當(dāng)同時(shí)具備大電流充放電均衡時(shí)才有必要研究末端截止電壓一致性問題。6/4/2023BMS室電動(dòng)車與新能源的關(guān)系能源危機(jī)，尤其是石油危機(jī)制約常規(guī)動(dòng)力汽車的進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)展新能源及電動(dòng)車是解決當(dāng)前困境的有效方法。常規(guī)動(dòng)力汽車比起電動(dòng)車，能源利用效率偏低，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。電動(dòng)車不會(huì)直接造成環(huán)境污染，或者無污染，符合新能源發(fā)展的要求。當(dāng)前涉及到的新能源如風(fēng)能、太陽能等，多數(shù)要轉(zhuǎn)換為電能才可以應(yīng)用。電動(dòng)車可以存儲(chǔ)電能，用電低谷時(shí)充電，用電高峰時(shí)放電，對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)意義重大。6/4/2023BMS室電動(dòng)車與新能源的關(guān)系Generation33%Transmission94%Plug-to-Wheels76%Refining82%Transmission98%Pump-to-Wheels16%23%13%31%80%Well-to-TankTank-to-Wheels31%76%=23%16%=13%80%6/4/2023BMS室中航鋰電BMS技術(shù)介紹營銷公司所列問題EMC/EMI第四篇6/4/2023BMS室中航鋰電BMS系統(tǒng)組成BMSMCMUCABU其他附件LCDBFGUMCMU-主控管理單元CABU-電池采集均衡單元BFGU-電流測量單元LCD-液晶顯示屏其他附件電池管理系統(tǒng)BatteryManagementSystem6/4/2023BMS室中航鋰電BMS測試效果（1）6/4/2023BMS室中航鋰電BMS測試效果（2）6/4/2023BMS室營銷公司所列問題1.BMS如何做到均衡，希望能以硬件或者軟件方面培訓(xùn)下工作原理;

2.SOC如何計(jì)算，（軟件計(jì)算方法）基本原理;3.一些基本故