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动力电池BMS技术现状分析

时间:2019-06-27 来源: 关键字:控制   传感器   

为了保护电芯和整个电池包不受放热反应的影响,需要一个电子安全电路,即电池管理系统(BMS)。BMS最重要的功能是安全防护,使电池系统中电芯的电压、温度和电流不超过规定的极限。一般来说,BMS是一种模拟和/或数字电子设备,预期可达到以下主要目标和要求:

提高电池系统的安全性和可靠性。

保护电芯和电池系统免受损坏。

提高电池的能量使用效率(增加续驶里程)。

延长电池寿命。

基于以上要求可以派生出BMS的功能,这些功能可以分为五个领域:传感和高压控制、保护、接口、性能管理、诊断。

在一个集中的BMS中,电芯监控单元、模块管理单元和包管理单元被整合到一个单一的印刷电路板,它处理BMS所需的所有任务,并直接连接到电池。

在模块化BMS拓扑结构中,模块管理单元被划分为多个单独的实例,这些实例可以放置在靠近电池模块的位置,从而降低了布线的复杂性。模块化拓扑的另一个高级变体是主从拓扑。在这里,从机的功能和元素被减少到最小,与整个电池系统相关的功能只在主机上实现。

在本研究中,我们分析了29个不同制造商的40个商业BMS。39种BMS改型中,有37种来自西欧、北美、日本或中国的制造商。其中只有一家位于澳大利亚,其余一家位于韩国。

分析发现这些产品中有18个具有集中的拓扑结构,有22个具有模块化拓扑结构。此外,在22个模块化BMS中,有20个旨在管理纯电动汽车的电池组,而18个集中系统中有13个只适用于200V及以下的应用。

尽管其中一些集中式BMS允许互连,从而建立更大的分布式拓扑,但高压应用更可能由模块化BMS组成,部分原因是与模块化系统相比,在集中式系统中处理绝缘问题更具挑战性。日产Leaf的360 V系统是个例外。然而,模块化系统的一个缺点是需要大量的通信和电源电路,因此成本相对较高。

分析表明只有7个BMS没有明确打算在BEVs中应用,因此它们不能在高压下工作。此外,7个中有5个是集中拓扑结构。

在本研究中几乎所有的BMS都至少使用一条CAN总线通信线路。CAN总线广泛使用的原因可能是在汽车环境中易于与其他通常使用CAN通信的控制器连接。无线BMS可以用无线网络取代模块之间的内部通信,具有潜在的优势包括减少组装过程中的线束、连接器和布线工作。然而,无线BMS面临的一个挑战是汽车内部和外部实体电磁噪声对无线网络的干扰,可能会产生安全问题。

在研制BMS过程中,为了保证电池系统的安全运行需要考虑多方面的因素。在过去的几十年里,电气和电子系统的硬件和软件部分的开发出现了安全标准。

本研究考虑将ISO 26262标准“道路车辆-功能安全”(源自通用工业标准IEC 61508)应用于BMS开发。

锂离子电池存在的问题

在过去的十年中,锂离子电池在能量密度和成本方面的持续改进,使得锂离子电池成为电动汽车(EV)的首选能源。根据全球电动汽车展望2016年的报道,插电式混合动力汽车(PHEV)电池包的能量密度从2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L,显著提高400%。另一方面,数据显示同一时间段内成本从1000美元/千瓦时下降到268美元/千瓦时,降幅高达78%。

在某些特定的情况下,整车厂宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成绩。例如,通用汽车(General Motors)宣布,其雪佛兰Bolt的电池成本在2015年10月降至145美元/千瓦时,预计到2022年将降至100美元/千瓦时以下。另一家著名的纯电动汽车(BEV)制造商特斯拉(Tesla)的目标是在2020年之前打破100美元/千瓦时的障碍。2022年xEVs的实际目标:125美元/千瓦时、400 Wh/L和250 Wh/kg,这将使新能源汽车实现对传统内燃机汽车(ICEV)的成本竞争力,并具有前所未有的续驶里程。

然而,尽管锂离子电池技术在过去的十年中表现出色,主要是因为其良好的能量和功率密度,但它既不是一项成熟的技术,也不是在所有可能的运行条件下都是安全的。锂离子化学非常容易受到温度、过电压、深放电和过电流等条件的影响,这些条件在实际应用中可能对电池造成损伤,因此锂离子电池需要复杂的安全管理技术,此外随着能量密度提升电池的风险越来越高。

随着研究的不断深入,热失控已被确定为锂离子电池的主要安全隐患。热失控往往是在滥用的条件下造成的,例如过热、深度放电、大倍率充电特别是低温时的大倍率充电、大功率脉冲、挤压,导致内部或者外部短路。在能源储存系统中有效和安全地利用,锂离子技术除了易受极端使用条件下的影响外,还必须考虑如下因素:

为了给电动汽车驱动系统提供所需的电压和电流,许多锂离子电池必须串联或/和并联,因此需要确保高压安全和维护安全。

锂离子电池容量会随着使用寿命的延长而衰减,内阻也会增加,这种现象被称为老化,有循环老化和日历老化之分,周围介质的温度、电池包内温度梯度都会影响老化过程。

串联锂离子电池在正常运行过程中老化特性的扩展,以及电池自放电速率的差异,导致电池电荷不均衡。这种不均衡降低了电池包的可用总容量,要么是因为电荷最少的电芯决定了放电的结束(即使其他电池包中仍然存储着可用的能量),要么是因为电荷最多的电池决定了充电过程的结束。忽略这两种极端情况最终会导致深度放电或过充,这可能导致热失控现象的发生。更重要的是电池容量的降低将导致更频繁的循环从而缩短电池寿命,因此需要均衡电池包中串联电芯之间的电荷。

BMS相关研究课题

解决上文提到的问题是BMS的永恒研究课题。文献报道了电芯建模领域的发展,该模型能够对电芯和电池包进行有效监测。电芯监测主要关注电芯内部状态的准确测定:荷电状态(SOC)——衡量电池包实际能量含量和充电不均衡的主要指标;健康状态(SOH)——基于电芯的容量或内阻,衡量电池的老化;或功能状态(SOF)——描述电池在使用过程中如何满足应用的需求,例如功率需求、起动能力或充电接受能力等。此外,关于电芯均衡及其对电池寿命的影响的研究活动在科学文献中也被发现具有同等的相关性。

虽然目前在锂离子电池中已经投入了大量的努力来缓解上述问题,但安全性本身是一个至关重要的研究课题。大量的资源被用于实现正确理解和复现热失控、锂沉积、锂枝晶产生、集流体溶解、产气,以及环境和工况条件对上述现象的影响。目的是将当前最先进的被动安全管理转变成一个能够提前几小时甚至几天提供安全和危害相关信息模型来保证车辆司机的安全。当然,传统的传感策略——电芯电流、电压和外部温度在未来仍然不会被忽视。此外,还将考虑涉及电芯声学和应变信息的新型传感策略,以及基于电化学阻抗谱(EIS)的无传感器内部温度估计。

但安全不仅包括分析和算法的实现、传感策略和状态估计(例如高电压、电或热管理),为了防止危险事件的发生,还包括采集、处理、存储和数据通信,以及对专用传感器和执行器的控制,如继电器、预充和高压互锁电路、绝缘监测装置等。

BMS概述、分类和分析

1、BMS功能和设计

从电芯到电池包

与内燃机车的汽油或柴油油箱不同,锂离子蓄电池在密封的容器中同时含有氧化剂(阴极)和燃料(阳极)。在正常情况下,燃料和氧化剂以可控的方式将化学能转化为电能,并且产热和产气都最小。然而在发生故障的情况下,或者如果电池在规定的极限(温度、电压和电流)之外运行,反应会很快失控并放热。这可能导致热失控,这是一个不可逆的过程,更多的热量被直接释放,而不是从电池外壳扩散。这一过程可能导致火灾和爆炸,并将环境置于显著的风险中。

锂离子蓄电池有三种不同的结构类型:袋式软包电池、圆形电池和方形硬壳电池。在电芯的制造过程中,使用了不同的电芯化学成分、材料和添加剂。这些因素影响超出其规格限制时电芯的行为。锂离子蓄电池越接近其规格极限,老化过程就越快,电池的寿命就越短。

电芯的规范限制是不同的,充电结束电压因所用的正极和负极材料而异。对于许多锂离子和锂聚合物蓄电池,放电结束电压为2.5 V,充电结束电压为4.2 V,均由电池化学性质决定。相比之下,石墨/磷酸铁锂(LiFePO4)的充电电压只有3.7 V。此外,充电和温度的规格限制因不同的电芯类型和电芯化学性质而异,并取决于电芯的生产过程,特别是功率型和能量型电芯。电池的电流负载取决于所用的添加剂、隔膜、阴极的钴含量以及电池中的电流导体。

根据应用的不同,可以使用单个电芯,也可以在模块中串联或并联多个电芯。为了提高电压,可将电芯串联,为了提高容量,可电芯并联为超级电芯,也可以并联几个模块,电芯串并联之后被称为电池系统或电池包。在电池包中,连接可以是纯串联的,也可以是纯并联的,也可以是串并联的,电压水平和容量可以适应应用的具体要求,如混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)或固定存储应用。

国际标准ISO 6469-3将高压范围定义为直流电压为60V – 1500V,交流电压为30V – 1000V(即B类电压),要在这一高压范围内开展工作,需要有专门的培训和证书。因此电池模块的设计通常是一个模块的总电压小于60V,使得电压A类。这使得在生产和运输过程中无需采取高成本的安全措施就可以处理模块。

综上所述,电池可以看作是由电芯、模组、电池包三层组成的层次结构:

电芯:基本元素,锂离子电池的化学性质使其电压约为3V至4V;

模块:串联和/或并联的集合,电压通常小于60V;

电池包:由模块串联或并联构成,电压可达1000 V。

BMS需求和功能

BMS最重要的任务安全功能,即使电池系统中的电芯在电压、温度和电流方面不超过规定的极限,电芯的这些规范限制通常称为其安全操作区域(SOA)。

一般来说,BMS是一种模拟和/或数字电子设备,符合以下基本要求:

数据采集。

数据处理和数据存储。

电气管理。

温度管理。

安全管理。

通信。

对于电动汽车来说,BMS的关键目标和要求如下:

提高电池系统的安全性和可靠性。

保护电芯和电池系统免受损坏。

提高电池的能源使用效率(提高续驶里程)。

延长电池寿命。

前两项是安全要求,后两项是使用要求。

可以从这些需求派生出BMS的各个功能,这些功能可以分为以下五个方面:

①检测和控制:BMS必须测量电池电压、温度和电流。它还必须检测绝缘故障,控制接触器和热管理系统。

②保护:BMS必须包括电子和逻辑,以警告或保护电池供电系统和电池包的操作员,通过附加的冷却或加热系统防止过充、过放电、过电流、电池短路和极端温度。

③接口:BMS必须定期与使用电池包作为电源的应用通信,报告可用的能量和功率,以及电池包状态的其他指标。此外,它必须在永久内存中记录异常错误或滥用事件,以便技术人员通过偶尔的按需下载进行诊断。

④性能管理:BMS必须能够估计充电状态(SOC),最好是对电池包中的所有电芯进行估计,计算电池包的可用能量和功率限制,并均衡电池包中的电芯。

⑤诊断:最后BMS必须能够估计健康状态(SOH),包括检测滥用,并且可能需要估计电芯和电池包的剩余使用寿命。

BMS子系统和拓扑

电池的最终物理结构决定实现电池管理系统的架构选择,每一层将在BMS的功能中形成一个子集:

在最低层是电芯采集单元(CMU),每个CMU连接到一个单独的电芯,或多个并联连接的电芯,并测量电芯电压和温度,并提供均衡功能。

中间层是模组管理单元(MMU),分组为多个CMUs,并为最高层提供比CMU更高级别的功能。

最高层是电池包管理(PMU),功能为监控电池包并与应用之间进行通信,通常通过CAN总线通信。

这种分类可以分为三种架构拓扑:

①集中式:在集中式BMS中,所有三层都组合在一个实体中,BMS直接连接到所有的电芯。由于需要大量的连接,集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于电池包的总电压存在于输入端,这种情况下很难满足隔离要求。

 

 

图1 集中式BMS拓扑

②模块化:在模块化的BMS中,多个MMUs(具有自己的CMUs)与单个PMU通信。MMUs靠近电芯,降低了布线的复杂性。MMU通过一个隔离的接口与中央PMU通信,避免了集中式BMS的隔离问题。一种常见的变体是MMU/CMUs被缩减到最小的度量和均衡单元(从板),并与中心PMU(主板)通信。

 

 

图2 模块化BMS拓扑

③分布式:在完全分布式的体系结构中,多个PMU控制它们自己的电芯,它们可以相互通信,但彼此独立运行。在最极端的情况下,每个电芯都配备了一个微控制器来跟踪SOC,决定均衡、旁路电芯等动作,这种拓扑结构提供了最高的灵活性和可伸缩性,但具有很高的复杂性和成本。

大多数商业BMS采用模块化拓扑结构,因为它们在复杂性、成本和灵活性之间提供了最佳的折衷。

高压电池包组成

除了BMS的功能外,对BMS的比较和分析还需要对高压(HV)电池组的结构有基本的了解。因此,在本节中,简要介绍了电池组的典型部件,并对它们之间的关系进行了图示。

纯电动汽车(BEV)的电池包由电池模块、一个BMS、一个冷却系统、一个电池断开单元(BDU)、外壳以及用于高压和数据连接的接口组成。这些组件的示意图如图3所示,其中BDU称为“开关盒”(有时BDU或开关盒也称为“电池接线盒”)。

 

 

图3 高压电池包的主要部分

在图3中,每个电池模块上都有一个BMS从属模块,它执行直接的电池监视并连接到BMS主模块。除了将电池组电压切换到外部的高压接触器外,BDU还包括一个保险丝、一个总电压和总电流传感器、一个预充电电阻和一个等压表。预充电电阻限制涌进电流,等压表检查壳体或车身是否与高压部件充分隔离。BMS还可以通过控制加热器保持其最低工作温度,或控制风扇或液体冷却系统使其低于最高工作温度,从而主动管理电池组的温度。

BMS集成电路

BMS使用集成电路(ICs,也称为微芯片)来实现其功能。用于BMS的ICs可分为提供测量电芯的电压和温度电池传感器ICs,和使用传感器的值以确定电池组的状态和保护电芯免受安全操作区域之外操作单片机ICs。

有几种集成电路用于测量电池参数(电压、温度和电流),它们在测量精度、功耗、占用空间和成本方面有所不同。

电池管理应用的电芯监测集成电路的常见制造商包括:

Linear Technology:线性技术的LTC6802、LTC6803和LTC6804产品线,可以处理多个电芯的化学反应,并测量多达12个电芯的0 - 5V电压。它是专为混合动力汽车牵引包设计的。

Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600产品线是专门为汽车应用程序设计的,可以监控多达12个锂离子电池。

Maxim:Maximd的MAX14920、MAX14921系列可处理3-16个锂离子电池。

德州仪器:德州仪器是小型锂离子电池集成电路的实际领导者,如手机和笔记本电脑。

Analog Devices:AnalogDevices的AD7280锂离子监测IC类似于Linear Technology的芯片。

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