电池系统BMS的关键问题

　　BMS的关键问题

　　尽管BMS有许多功能模块，本文仅分析和总结其关键问题。目前，关键问题涉及电池电压测量，数据采样频率同步性，电池状态估计，电池的均匀性和均衡，和电池故障诊断的精确测量。

　　电池电压测量(CVM)

　　电池电压测量的难点存在于以下几个方面：

　　(1)电动汽车的电池组有数百个电芯的串联连接，需要许多通道来测量电压。由于被测量的电池电压有累积电势，而每个电池的积累电势都不同，这使得它不可能采用单向补偿方法消除误差。

　　图3 OCV曲线和每毫伏电压的SOC的变化(在25℃测量，休息时间3小时)

　　(2)电压测量需要高精度(特别是对于C / LiFePO 4 电池)。SOC估算对电池电压精度提出了很高的要求。这里我们以C / LFP和LTO / NCM型电池为例。图3显示了电池C / LiFePO 4 和LTO / NCM 的开路电压(OCV)以及每mV电压对应的SOC变化。从图中我们可以看到LTO / NCM的OCV曲线的斜率相对陡峭，且大多数SOC范围内，每毫伏的电压变化对应的最大SOC率范围低于0.4%(除了SOC 60~70%)。因此，如果电池电压的测量精度为10mV，那么通过OCV估计方法获得的SOC误差低于4%。因此，对于LTO / NCM电池，电池电压的测量精度需要小于10 mV。但C / LiFePO 4OCV曲线的斜率相对平缓，并且在大多数范围内(除了SOC < 40%和65 ~80%)，每毫伏电压的最大相应SOC变化率达到4%。因此，电池电压的采集精度要求很高，达到1 mV左右。目前，电池电压的大部分采集精度仅达到5 mV。分别总结了锂电池组和燃料电池组的电压测量方法。这些方法包括电阻分压器方法，光耦合隔离放大器方法，离散晶体管的方法 ，分布式测量方，光耦合中继方法等等。目前，电池的电压和温度采样已形成芯片产业化，表1比较了大多数BMS所用芯片的性能。

　　表1 统计电池管理和均衡芯片

　　数据采样频率同步性

　　信号的采样频率与同步对数据实时分析和处理有影响。设计BMS时，需要对信号的采样频率和同步精度提出要求。但目前部分BMS设计过程中，对信号采样频率和同步没有明确要求。电池系统信号有多种，同时电池管理系统一般为分布式，如果电流的采样与单片电压采样分别在不同的电路板上;信号采集过程中，不同控制子板信号会存在同步问题，会对内阻的实时监测算法产生影响。同一单片电压采集子板，一般采用巡检方法，单体电压之间也会存在同步问题，影响不一致性分析。系统对不同信号的数据采样频率和同步要求不同，对惯性大的参量要求较低，如纯电动车电池正常放电的温升数量级为1℃/10 min，考虑到温度的安全监控，同时考虑BMS温度的精度(约为1℃)，温度的采样间隔可定为30 s(对混合动力电池，温度采样率需要更高一些)。

　　电压与电流信号变化较快，采样频率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知，动力电池的欧姆内阻响应在ms级，SEI膜离子传输阻力电压响应为10 ms级，电荷转移(双电容效应)响应为1~10 s级，扩散过程响应为min级。目前，电动车加速时，驱动电机的电流从最小变化到最大的响应时间约为0.5 s，电流精度要求为1%左右，综合考虑变载工况的情况，电流采样频率应取10~200 Hz。单片信息采集子板电压通道数一般为6 的倍数，目前最多为24 个。一般纯电动乘用车电池由约100 节电池串联组成，单体电池信号采集需要多个采集子板。为了保证电压同步，每个采集子板中单体间的电压采样时间差越小越好，一个巡检周期最好在25 ms内。子板之间的时间同步可以通过发送一帧CAN参考帧来实现。数据更新频率应为10 Hz以上。

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