氣候變化、能源和環(huán)境問題是人類社會共同面對的長期問題。隨著美國表示回歸COP15(《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第15次會議)和以中國、印度為代表的新興國家被納入到其中，以及主要國家積極實(shí)施能源和環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略，全球進(jìn)入了真正解決人類社會共同問題的時代。交通運(yùn)輸領(lǐng)域的溫室氣體排放、能源消耗和尾氣排放三大問題是否有效解決直接影響人類共同問題能夠有效解決，為此，全球主要國家政府、組織、汽車生產(chǎn)商、能源供應(yīng)商、風(fēng)險投資企業(yè)共同行動起來，推動全球汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和動力系統(tǒng)電動化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，促進(jìn)具有多層次結(jié)構(gòu)的電動汽車社會基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)形成和相應(yīng)的政策、組織保障體系建設(shè)，助推可持續(xù)發(fā)展電動汽車社會的形成。
2015年全球電動汽車生產(chǎn)量和出貨量分別超過了50萬輛的規(guī)模，其中中國超過了37萬輛。電動汽車必須要有電能儲存裝置，目前鋰離子電池是動力電池的首選和主流。鋰離子電池在串聯(lián)成組使用時存在過充、過放、過流、溫度過高過低等問題，會造出鋰離子電池的迅速損壞，因此需要電池管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。
1、鋰離子電池
鋰離子電池指由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大主要材料和外殼制成的電池。其中正極和負(fù)極材料必須能夠可逆的嵌入和脫嵌鋰離子，隔膜必須是鋰離子導(dǎo)通而電子絕緣，電解液必須是鋰離子溶液。
通常正極材料里是一個過渡元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而金屬鋰和碳負(fù)極是金屬鋰發(fā)生氧化還原反應(yīng)。充放電過程，鋰離子在電池內(nèi)部正負(fù)極之間來回轉(zhuǎn)移，電池在外電路移動。有人形象地把這種鋰離子轉(zhuǎn)移過程成為搖椅，而將鋰離子電池稱為搖椅式電池。
圖1 鋰離子電池的工作過程圖示
鋰離子電池正極材料一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物，如Ni、Co、Mn的嵌鋰氧化物。負(fù)極材料則要選擇電位盡可能接近金屬鋰的嵌鋰化合物，如各種碳材料、SnO、SnO2、硅合金等。
電解液普遍使用報告LiPF6的溶液，溶質(zhì)為有機(jī)物，常用的有乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)和低密度二乙烯碳酸酯(DEC)等;隔膜主要由烯烴類聚合物制成多孔復(fù)合膜;外殼材料有鋼、鋁、塑料、鋁塑膜等。鋰離子電池典型的結(jié)構(gòu)如下圖：
圖2 方形電池的典型結(jié)構(gòu)
鋰離子電池典型參數(shù)有：容量、內(nèi)阻、電壓;鋰離子電池特性參數(shù)有：循環(huán)壽命、放電平臺、自放電率、溫度性能、儲存性能等。鋰離子電池安全測試有：過充、短路、針刺、跌落、浸水、低壓、振動等。
鋰離子電池比較嬌貴，其充放電是一個多變量、非線性復(fù)雜的電化學(xué)過程，如果不能滿足其充放電的條件要求，很容易出現(xiàn)壽命快速下降、性能降低、起火、爆炸等事件，因為鋰離子電池對于溫度、電壓、電流等很敏感。
2、電池管理系統(tǒng)的發(fā)展
早期的電池管理系統(tǒng)有：德國1991年開始設(shè)計的BADICHEQ和BADICOaCH系統(tǒng)，美國通用汽車EV1使用的電池管理系統(tǒng)，美國AC Propulsion 公司開發(fā)的名為BatOPt的高性能電池管理系統(tǒng)。
國內(nèi)最早主要是一些高校依托自己的科技優(yōu)勢聯(lián)合一些大的汽車和電池生產(chǎn)商進(jìn)行了一些研究工作，清華大學(xué)為EV-6568輕型電動客車配套了電池管理系統(tǒng)、同濟(jì)大學(xué)和北京星恒合作開發(fā)了鋰離子電池管理系統(tǒng)、春蘭研究院開發(fā)了HEV-BMS系統(tǒng)、北京理工和北方交通大學(xué)等依托國家863計劃電動汽車重大專項子課題，也開發(fā)了有特色的電池管理系統(tǒng)。隨著電動汽車市場的啟動，許多商業(yè)化的產(chǎn)品都獲得了大批量的應(yīng)用。
3、電池管理系統(tǒng)研究內(nèi)容
首先，要研究電池管理系統(tǒng)，一般研究單片機(jī)為核心，車載網(wǎng)絡(luò)為分布系統(tǒng)。然后研究傳感，因為需要檢測電池的參數(shù)。一般檢測電壓、電流、溫度。數(shù)據(jù)和控制的傳輸需網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，一般用CAN網(wǎng)絡(luò)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過顯示屏、繼電器、風(fēng)扇、泵、電機(jī)等來實(shí)現(xiàn)。
圖3 電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)示意圖
有了管理的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，需要管理的運(yùn)行系統(tǒng)。對電池的管理，分為放電、充電和靜置三種過程。靜置涉及到溫度、安全的管理。充電涉及到充電參數(shù)的配置，充電過程的監(jiān)控，充電過程的溫度、電壓、電流的保護(hù)。放電過程涉及到輸出功率的管理，用電規(guī)劃的管理，使用過程電壓、電流、溫度的管理。
充電放電靜置都會需要參考同一個參數(shù)，就是剩余可用電量，也叫荷電狀態(tài)(SOC，state of Charge)。鋰離子電池的放電過程是很復(fù)雜的電化學(xué)過程，受到很多因素的影響，剩余電量的估算十分困難，困難主要來自如下幾個方面：
一是電池的容量不固定，在完全相同的經(jīng)歷和狀態(tài)參數(shù)下，電池的容量不是固定的;二是電池老化無法確定，電池的老化無法精確的隨時標(biāo)定，電池組內(nèi)的分散程度也無法精確隨時標(biāo)定;三是使用過程的隨機(jī)性。文獻(xiàn)對于各種SOC的估算方法進(jìn)行了介紹。
鋰離子電池組在使用過程中，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)越，單體之間也存在不一致，電池組在使用過程中也會使其特性產(chǎn)生變化，目前對電池組在使用過程中單體間出現(xiàn)分散性的現(xiàn)象，并無有效的解決辦法，因此需要外部來解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問題。
目前通用的均衡方法有耗能均衡，充電均衡和能量轉(zhuǎn)移均衡。最典型使用最廣的是耗能均衡，該方法利用發(fā)熱電阻旁路分流，原理如下圖：
圖4 耗能均衡的原理示意圖
充電均衡是在充電結(jié)束時，對每個單體電池單獨(dú)使用一個小充電器將其充滿電。能量轉(zhuǎn)移均衡由于SOC測量的困難，雖然有很多的研發(fā)，還沒有能進(jìn)入實(shí)用的產(chǎn)品。
當(dāng)然，電池管理系統(tǒng)做到這樣還是不夠的，電池在使用過程中溫度會升高，溫度過高鋰離子電池就不能再繼續(xù)使用，這是不希望出現(xiàn)的情況。因此，最初的電池管理系統(tǒng)又增加了散熱管理的功能。再后來，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下電池溫度過低后充放電都無法繼續(xù)進(jìn)行，于是進(jìn)行了加熱管理。
電池使用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，電池安全問題增多，于是就有了安全管理的問題。最初的安全管理是監(jiān)控，BMS將電池的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)來判斷安全隱患。進(jìn)一步發(fā)展到對BMS本身對安全做出預(yù)警。
電池在使用過程中總是需要維護(hù)、更換單體、做均衡等，這些工作需要診斷，如果BMS在需要之前就已經(jīng)把診斷做好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，那么相應(yīng)的工作就會變得簡單很多，于是電池管理系統(tǒng)又增加了故障診斷和報送的功能。
隨著退役電池的增多，電池的梯次利用和循環(huán)使用又顯示出問題來了，于梯次利用電池的配組需要進(jìn)行大量的研究，BMS又承擔(dān)起配組優(yōu)化的管理功能。
電池研發(fā)的進(jìn)步，也依賴于電池使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題、現(xiàn)象，依靠實(shí)際使用過程的選擇，于是電池管理系統(tǒng)又增加了電池技術(shù)選擇的功能。
4 電池管理系統(tǒng)發(fā)展展望
測量是電池管理基礎(chǔ)，越來越精確，分辨率越來越高的技術(shù)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)。SOC估算的研究也從一色的安時積分為基礎(chǔ)發(fā)展到焦耳積分等其他方法。電池的管理功能越來越多，值得關(guān)注的是多級電池管理系統(tǒng)的興起。
從主從結(jié)構(gòu)，發(fā)展到每個獨(dú)立置換單位能夠具有完整的電池管理系統(tǒng)功能。在電池系統(tǒng)之外，整車電池管理，和后臺服務(wù)器電池管理程序也在興起。此外，值得關(guān)注的是，電池管理系統(tǒng)不再是被動地去保護(hù)電池，而是優(yōu)化使用和使用環(huán)境。溫度管理是優(yōu)化使用環(huán)境，參數(shù)推演是優(yōu)化使用。隨著行業(yè)的發(fā)展，可以期待更多更好的電池管理技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)。
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