电池管理系统

——在智能电网和电动汽车

随着智能电网和电动汽车（EV）技术的快速发展，电池已成为最重要的储能装置，吸引了大量关注。最近关于波音787中锂离子（Li-ion）电池性能的讨论到目前为止已经证实，虽然电池技术发展很快，但开发的电池功率更高，能量密度越大，同样重要的是提高电池管理系统（BMS）的性能，使电池成为安全， 可靠和经济的解决方案。智能电网和电动汽车的特定特性和需求，如深度充电/ 放电保护和准确的充电状态（SOC）和健康状况（SOH）估计，加剧了对更高效BMS的需求。BMS应包含准确的算法，以测量和估计电池的功能状态，同时配备最先进的机制，以保护电池免受危险和低效的操作条件的影响。

智能电网和电动汽车对储能的需求

智能电网和电动汽车是增长技术的两个例子，这些技术将从高级基础设施和组件的开发中受益匪浅。作为智能电网和电动汽车的主要部件之一，能量存储需要根据应用的特性满足几个功率和能量密度标准。对于不同的应用，包括短期和长期电力支持，采用从飞轮到多种电池化学的各种类型的能量存储。

在美国，有29个州颁布了可再生能 源组合标准，要求到2025年可再生电 力销售额达到15-30％[1]。由于这种 对绿色能源的推动，太阳能和风力发 电作为电力公用电网可再生电力生产 的主要来源而成为最重要的。众所周 知，能源储存是将可再生能源整合到 电网中的关键因素，特别是考虑到可 再生能源发电的间歇性特征。此外， 人们普遍认为石油储备将在几十年内 耗尽;估计2057年是石油枯竭年[2]。 这导致电池供电的电动汽车进入市场。因此，能量存储成为未来智能电网和 电动汽车的首要关注点。在简要介绍 这些应用之后，我们将讨论它们的能 量存储需求。智能电网是一个概念涉及使用通信，控制和计算机技术以更低的成本和更高的可靠性提供电能的电网[3]。美国能源部已经为智能电网定义了若干功能，包括积极的消费者参与，适应所有发电和存储选项，以及支持新产品，服务和市场。根据主要要求，智能电网应用可分为电力和能源应用。电源应用， 如频率/面积调节，电压支持，电气服务可靠性，功率质量等需要短时间的高功率输出，可能持续几秒到几分钟。诸如Flywheel，Liion和先进的铅酸（Pb-acid）电池等储能设备被确定[4]作为这些应用的潜在解决方案。其他能源应用，例如能量时移，负载跟踪，分布式能量存储和可再生能源集成，需要能够存储大量能量并在较长时间内（即从几分钟到几分钟）放电的电池。小时）。钠 - 硫（Na-S），液流电池和锂离子电池已被确定为这些能源应用的潜在储能装置[5]。电动汽车是未来先进运输系统的主要组成部分。目前市场上的EV分为三种类型：混合动力EV（HEV），插电式混合动力EV（PHEV） 以及纯电动车或电池EV（BEV）。虽然HEV和PHEV利用电池储能以及内燃机， 但BEV仅使用可充电电池为电动机提供动力以进行推进。电动汽车在世界市场上渗透的两个推动力是1）减少/消除有害气体排放（例如，一氧化碳和二氧化碳）和2）减少能源对运输的依赖性[5]。虽然使用电动汽车有几个优点，例如家用充电，出色的加速，零排放，独立于燃料使用等，但电动汽车比汽油重，需要很长时间才能充电， 这使得它们不像汽油那样具有吸引力。为了与现有市场竞争，在电池的设计和使用中需要考虑几个因素。美国先进电池联盟（USABC）已为电动汽车的先进电池制定了若干中期和长期目标。USABC感兴趣的一些参数是成本（美元/ 千瓦时），功率密度（W / l），特定功率（W / kg），特定再生功率（W /kg）， 能量密度（ Wh / l），寿命（年），循环寿命（周期），一些用于电动汽车的电池是镍镉（NiCad），镍氢（NiMH），磷酸铁锂（LiFePO4）和锂聚合物。 （锂聚合物）。由于高能量和功率密度要求， 该研究也正朝着超级电容器[4]和金属空气电池，如锌/空气（锌/空气）， 锂/空气（锂/空气）等方向发展。电池管理系统除了电池技术的发展，BMS是使智能电网中的电池利用和电动汽车安全，可靠和高效的关键因素。BMS不仅控制电池的运行条件以延长其寿命并保证其安全性，而且还为智能电网和EV中的能量管理模块提供准确的SOC和SOH估计。为了完成这些任务，BMS具有多种功能，可以控制和监控不同电池，电池模块和电池组级别的电池运行状态。

在智能电网和电动汽车中对BMS的需求

虽然电池技术发展非常迅速，无法为电动汽车和智能电网行业提供实用的解决方案，但仅靠技术和材料的进步并不能保证能够克服所有问题的解决方案。关于将电池存储器集成到智能电网中的一些问题如下。

成本包括制造，人工，维护，操作和更换成本。

寿命 - 通过充电 - 放电循环和电池的日历寿命来测量。

功率输出 - 根据充放电率，能量存储水平，斜率和充放电效率来衡量。

环境影响和安全性 - 根据电池的化学成分，工作温度等因素来衡量安全/风险因素。

BMS不仅主动控制存储设备的功能， 以最大化其寿命，效率和安全性[8]但也向能量管理系统（EMS）单元提供电池状态的准确估计。EMS [6] -[8]是智能电网和电动汽车中的一个单 元，可最大限度地降低能源生产，存 储，分配，工厂维护和运营所涉及的 成本，同时最大限度地延长使用寿命， 可靠性和安全性。EMS的性能仅与BMS 提供的有关电池SOC，剩余使用寿命（RUL），往返效率等的数据一样准确。特别是在电动汽车中，电池组的主要问题之一是安全性。应该保护电池以及车辆的乘员免受任何火灾或电击危害[9]。准确地预测电池可以支持的剩余行驶距离同样重要，因为它是车辆的唯一能源。此外，长途旅行将涉及高达80％或更多的放电。因此，在深度充电和放电期间保持适当的电池保护至关重要。EV中的电池组可包含10至100个串联和并联组合的电池，以提供所需的能量和功率密度[10]。在这种情况下，用于维持最佳操作环境（30-40°C）的热管理还可以大大提高电池的效率。围绕这些电池构建的大多数电子控制装置包括来自高压和低压的保护电路[11]。这些简单的控制单元仅监控电 流和电压，可归类为保护单元而非BMS。因此，我们需要一个全面而准确的BMS 来预测SOC，SOH，RUL等，以提高电池的效率和安全性。图1显示了解释BMS功能的框图：

状态估计

算法

电力分配

溶胶

电

苏赫

载

国家观察员

状态变压器

iSST:智能固体 -

片上

风力涡

轮机

物理

层

恒功率负

光伏

st3

电源线

通信控制链路

SST1

在线参数识别

电网

并联式混合动

st2

感应电动

机负载

电压和电流温度

同步发电机

电池

DAQ模块

Cyber

智能电网

基于代理的分布式控制网络

图1 - 电池管理算法在智能电网和电动汽车中均有效。

监控电池并为智能电网和电动汽车提供必要的估算。在这个图中：

数据采集（DAQ）模块以适当的采样频率和精度收集电池数据，包括电流，电压和温度。

收集的数据被发送到状态估计算法 模块，其包括在线参数识别模块和 状态观察器。在该模块中，考虑到 电池动态的简单模型，使用输入/ 输出数据识别电池的参数。之后， 将更新的电池模型参数馈送给状态 观察器以估计电池的SOC，SOH和寿 命状态（SOL）。由于状态观测器 是基于电池的状态空间模型设计的， 在线识别和更新模型参数

提高估计的准确性。SOC ， SOH 和SOL是智能电网中的监控和管理系统以及EV需要知道的有效执行电池的信息。图1中的智能电网图显示了智能电网中典型电网中分布式资源，负载和能量存储之间的分布式控制和能源管理。在该网络中，网格的每个组件与其他组件协作以基于本地信息和来自邻居的信息来管理可用能量。

EV图表显示了基于电池状态和客户偏好的大型EV停车甲板对不同充电站的功率分配。停车甲板上的EMS 模块最大化了在不超出功率限制的情况下满足客户的满意度。通过在到达和离开时间的车辆电池的SOC以及客户的预算偏好来评估客户满意度。

BMS功能

为了满足“智能电网和电动汽车中对

BMS的需求”一节中提到的需求，以及控制和监控智能电网和电动汽车中的电池，BMS通常包含以下功能，如图2 所示。

细胞监测

完成BMS任务的前提是获取每个电池的电流，电压和温度。电压和电流测量的要求根据所用电池技术的类型而有所不同。就电压而言，Li-FePO4 化学是最具挑战性的

热

包装设计散

充电控

制

充电率控制充电策略

热管理

电压失配多节电荷

/

排出

衡

细胞平

片上系统

估计

建模估计

BMS

主要特点

生命尽头

卢尔

苏赫

估计

电池安全

和保护

过充电过放电短

路

测

细胞监

电压，电流，温

度

图2 - bmS功能。

智能电网和电动汽车就是两个例子不断发展的技术将从先进的基础设施和组件的发展中获益。

准确性。如图3（a）所示，开路电压（OCV）与SOC曲线非常平坦，在SOC的20％到80％之间，这是电池的典型工作范围。可靠的SOC估计要求电池电压测量精确到1-2 mV [12]。Liion化学的其他风味， 例如 Li-Po ，钛酸锂 （Li2TiO3）和硫化锰（Li-Mn），在电压测量精度方面要求较低。图3（b） 显示了Li-Po电池的OCV-SOC曲线，与LiFePO4化学相比，其不太平坦。许多商用多节电池监测IC可以实现约5 mV 的典型精度。还必须以高精度执行电流测量。电池电流代表任何SOC算法的主要输入。通常随时间积分电流以估计存储的电荷。理想情况下，积分操作（即库仑计数）要求电流传感器在电路上无偏移工作温度范围和时间。在其他更复杂的SOC算法中，电池电流通常与测量的电池电压一起馈送到动态电池模型。因此，必须同时进行电池电流和每个电池的电压的测量。电流测量的典型精度目标约为0.5％至1％，而测量范围取决于应用，EV中最高可达450 A.

电池安全和保护

BMS的主要功能之一是确保电池的安全性，并防止电池在对电池和用户都有害的条件下运行。危险条件主要是由电池的化学特性引起的。例如，当SOC 低于一定百分比时电池深度充电，电池充满电，充电或放电时过度充电， 可能会发生危险情况。充电速率（C-速率）高于电池化学成分安全水平的电池，超出电池的截止电压。工作温度由电池内部的电化学反应和应用的环境条件决定，同样重要的是电池安全中的元素，特别是在锂离子电池的情况下。BMS设定安全限制以保护电池不在安全温度范围内工作，例如，0-60 oC用于充电，20-60 oC用于锂离子棒的存储和放电 - 特里汽车应用还要求符合国际标准化组织（ISO）26262功能安全标准（即“道路车辆 - 功能安全”）。特别是，BMS设计应满足汽车安全完整性等级。

SOc估计

SOC是表示与电池的全容量充电相比存储在电池中的可用电荷的指示器。准确估计SOC不仅对于EV和智能电网中的能量的最佳管理是必要的，而且还要保护电池免于进入降低电池寿命的深度放电或过充电条件。

图3 - 不同电池化学成分的OcV-SOc曲线。（a）li-FePO4 电池OcV-SOc。（b）锂电池OcV-SOc。

开路电压（伏特）

开路电压（伏特）

1

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

片上系统

(b)

0 0.1 0.2 0.3

4.2

4.1

4

3.9

3.8

3.7

3.6

3.5

3.4

3.3

1

0.7 0.8 0.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

片上系统

(a)

4

3.8

3.6

3.4

3.2

3

2.8

2.6

2.4

2.2

2

并可能产生潜在的危险情况。尽管该元件很重要，但不能直接从电池端子测量SOC。这就是为什么需要开发算法以基于每个测量数据估计电池组和各个电池的SOC。

SOH估计

SOH是电池功能的另一个重要指标，可以在电池或电池组级别观察到。SOH预测电池在其寿命终止之前可以充电和放电的次数。这些信息对于EMS选择策略以延长电池寿命并同时安排更换电池至关重要。同样，SOH不是可以直接从电池端子测量的参数。此外，需要明确定义SOH。目前，正在进行重大努力来研究电动车SOH，特别是电动汽车和智能电网应用的SOH在线估算。

细胞平衡

多节电池组由多个并联和串联的电池 组成，以提供足够的工作电压和容量 来支持应用。然而，如果连接的电池 单元的电压和容量之间存在不匹配， 则整个电池组不能有效地工作。例如， 在放电期间，一旦第一个电池达到截 止电压以下，放电就会停止，其余电 池中的电荷也无法使用。由于细胞或 细胞的SOC的能力不匹配，可能发生这 种类型的错配。这就是为什么需要部 署电池平衡技术（稍后

资料编号：[3755]