电池管理系统知识讲座 BMS 室  什么是电池管理系统  为什么需要 BMS  BMS 功能、组成及拓扑结构 第一篇 BMS BMS 室 室 23/6/15 什么是电池管理系统？ 电池管理系统（ Battery Management System ） 来自 Wikipedia 的定义： A Battery Management System (BMS) is any electronic device that manages a rechargeable battery (cell or battery pack), such as by monitoring its state, calculating secondary data, reporting that data, protecting it, controlling its environment, and / or balancing it. 个人观点： 电池管理系统是一种能够对蓄电池进行监控和管理的电子装置， 通过对电压、电流、温度以及 SOC 等参数采集、计算，进而控制电 池的充放电过程，实现对电池的保护、提升电池的综合性能。 BMS BMS 室 室 23/6/15 为什么锂电池需要 BMS ？  安全需求： 锂电池的缺点是“ 娇气” ， 1 次过放电就会造成电池的永久性损坏。极端情 况下，锂电池过热或者过充电会导致热失控、电池破裂甚至爆炸。锂电池需要 BMS 来严格控制充放电过程，避免过充、过放、过热。  功能需求： 锂电池在使用过程中需要知道电池的 SOC 参数，通过 SOC 预测电池的剩余 电量。 BMS 能够实时测算锂电池的 SOC ，满足客户应用需要。 大容量锂电池存在比较明显的不一致性，不一致性会影响电池的充放电能力 及循环寿命。 BMS 能够通过均衡改善不一致性，提升锂电池整体性能。 电池在不同的温度下会有不同的工作性能，锂离子电池的最佳工作温度为 25 ～ 40℃ 。温度的变化会使电池的 SOC 、开路电压、内阻和可用电量发生 变化，甚至会影响到电池的使用寿命。通过 BMS 可以控制电池工作的环境温 度，改善电池特性。 BMS BMS 室 室 23/6/15 锂电池工作原理 BMS BMS 室 室 23/6/15 过充过放的本质 锂电池充放电过程 充电时，锂离子从正极板脱嵌，通过电解液嵌入到负极板上 ；放电时，锂离子从负极板上脱嵌，并经由电解液嵌入到正 极板上；锂离子电池的充放电过程是锂离子在极板上的嵌入 和脱嵌过程。 充电时，随着锂离子的脱嵌，正极材料体积会发生 一定量的收缩；放电时，随着锂离子的嵌入，正极 材料体积会发生一定量的膨胀。 过充时 ，正极晶格会产生崩塌，锂离子在负极会形成锂枝晶 从而刺破隔膜，造成电池的损坏。 过放时 ，正极材料活性变差，阻止锂离子的嵌入，电池容量 急剧下降。如果发生正极材料体积过度膨胀，也会破坏电池 的物理结构，造成电池的损坏。 BMS BMS 室 室 23/6/15 BMS 的基本功能  单体电池电压采集；  单体电池温度采集；  电池组电流检测；  单体 / 电池组 SOC 测算；  电池组 SOH 评估；  充放电均衡功能；  绝缘检测及漏电保护；  热管理控制（散热、加热）；  关键数据记录（循环数据、报警数据）；  电池故障分析与在线报警；  通信功能（能够与充电机、电机控制器等通信）。 BMS BMS 室 室 23/6/15 BMS 组成示意图  图中所示为亿能 BMS ， 采用主从结构 (Master-Slave) ， 包含一个主控多个从控 ，每个从控最多管理 60 支电池。  主控与充电机、车辆控 制器通过外部 CAN 总线 通信，主控与手持设备 通过 RS232 通信，主 从之间通过内部 CAN 总 线级联。  从控实现电压采集、温 度采集、热管理，主控 兼顾电流测量、绝缘检 测以及与其他设备通信 等功能。 BMS BMS 室 室 23/6/15 BMS 拓扑结构 ---Distributed  定义：电压、温度采集以 及均衡等功能等分布到每 支电池，通过总线与主控 通信。  优点：设计、构造简单， 连线少，可靠性高，便于 扩展。  缺点：每支电池都需要一 块控制板，安装繁琐、成 本高。  实例： GENASUN GLD ， Elithion Lithiumate BMS 。 BMS BMS 室 室 23/6/15 BMS 拓扑结构 ---Centralized  定义：电压、温度采集以 及均衡等所有功能均由主 控完成（无从控），主控 与电池无总线通信，直接 导线相连。  优点：设计、构造简单。  缺点：连线长、连线多， 可靠性不高，管理电池数 量不能太多。  实例： Flex BMS48 ， JustPower BMS 系 列某产品（ BattMind C series ） 。 BMS BMS 室 室 23/6/15 BMS 拓扑结构 ---Modular  定义：一主多从结构，电压、温 度采集以及均衡等功能由从控完 成，一个从控管理若干电池，主 控与从控总线通信（也称为 Master-Slave ）。  优点：不需要在每支电池上安装 控制电路板，连接灵活；从控离 电池近，避免过长连线；便于扩 展。  缺点：需要考虑主从之间的通信 隔离，通信多样、控制复杂。  实例：国内主流 BMS 结构，亿 能、冠拓、力高、宁波拜特 BMS40 、中航锂电自研 BMS 。 BMS BMS 室 室 23/6/15  SOC 、 SOH  电池不一致性分类、定义  均衡方法、均衡过程、均衡误区 第二篇 BMS BMS 室 室 23/6/15 SOC 定义及表示方法  State of Charge (SoC): 100% > SoC > 0% SoC = (remaining capacity) / (capacity of fully charged b attery) SoC = (remaining capacity) / (Total amount of usable charge at a given C-rate) SoC = (Cn – Qb) / Cn   Cn: nominal capacity Qb: net discharge  Remaining Capacity ≠ Usable Capacity Usable capacity depends on the cutoff voltage Usable capacity depends on the age of the battery  Capacity of fully charged battery ≠ Total amount of usable charge at a given C-rate ≠ Cn BMS BMS 室 室 23/6/15 SOC 定义及表示方法   SOC 表示方法 1. 化学法：通过测量电解液的比重或 PH 值来指示电池的 SOC （没有密 封的铅酸电池）。 电压法：建立电池充放电过程中电压与 SOC 的对应关系，通过读取的 电压参数来反映 SOC （受电流和温度影响）。 电流积分：即所谓的安时积分法，将充放电电流与充放电时间进行积 分，计算电量（需要校准）。 压力法：电池内部压力随着充电的持续而增加，根据测量到的压力判 断 SOC 大小（适用于镍氢电池）。 2. 3. 4. BMS BMS 室 室 定义 SOC （ State of Charge ） SOC= 1 – （ Qdischarge/Qrated ） = Qrest/Qrated SOC 表征电池的荷电状态，计算方法如上式，其中 Qdischarge 为已经放出电量， Qrated 为额定电 量， Qrest 为剩余电量。 23/6/15 锂电池 SOC 测算方法  电压法不依赖于历史状态，无 累积误差，各单体 SOC 相对 独立；但是锂电池电压曲线平 缓，不易判断。  电阻测量法：用不同频率的交 流电激励电池，测量电池内部 交流电阻，通过计算模型得到 SOC 估计值；但 SOC 与电阻 等参数之间关系复杂，传统数 学方法难以建模。  AH 积分法依赖于历史状态， 有累积误差，有均衡的情况下 SOC 测算难度加大；但 AH 积 分法可以通过补偿、校准提高 精度，目前应用最广泛。  神经网络法、卡尔曼滤波法。 BMS BMS 室 室 23/6/15 锂电池 SOH 定义 SOH （ State of Health ）即电池的健康状态，是用 来表征电池是否可以正常工作的一个指标，当 SoH 较差时电 池可能已经处于失效状态。 SOH 主要表现在以下几个方面：  Full Discharge Test （容量衰减） SoH = (measured capacity) /(rated capacity) 1 > SoH > 0 A battery is at its end of lifetime at SoH of 0.8 . (Energy Institute Battery Research Group)  Increase in internal resistance resulting active power loss （内阻增大导致有源功耗）  Increase in self discharge rate （自放电率增大）  Counting charge/discharge cycles （循环次数累加）  Voltage drop during initial discharge （初始放电电压下降） BMS BMS 室 室 23/6/15 电池第一类不一致性  第一类不一致性：电池自身容量的 #1 #2 #3 实际容量 实际容量 实际容量 95AH 100A H 105A H 差异导致的不一致性。第一类不一 致性由电池生产制造工艺不完善导 致，同一批次电池容量有一定的离 散性。 假设 #1, #2 和 #3 三 支 100AH 串联电池的实 际容量分别为 95AH, 100AH, 105AH, 即存 在第一类不一致性，容 量差异为 10AH; 三支电 BMS BMS 23/6/15 室 池的初始电量为均为 室 当前电量 当前电量 当前电量 60AH 60AH