|
尽管BMS有许多功能模块，本文先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。 1、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。 下图是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。 上图显示了电池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5mV。目前，电池的电压和温度采样已形成芯片产业化， 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℃/10min，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0.5s，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10~200Hz。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25ms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10Hz以上。 包括电池状态包括SOH（健康状态估计）、SOS（安全状态估计）、SOF（功能状态估计）及SOE（可用能量状态估计）。这些功能是期望BMS具备的，但实际应用中，出于客户要求、车型要求以及成本等等的考虑，实际设计到系统中的可能只是其中的几个。 电池状态包括电池温度、SOC（荷电状态估计）、SOH（健康状态估计）、SOS（安全状态估计）、SOF（功能状态估计）及SOE（可用能量状态估计）。各种状态估计之间的关系如下图所示。电池温度估计是其他状态估计的基础，SOC 估计受到SOH 的影响，SOF 是由SOC、SOH、SOS 以及电池温度共同确定的，SOE则与SOC、SOH、电池温度、未来工况有关。 |
|
|
