电池配组技术

这是一个关于电池配组技术的思维导图，BMS（Battery Management System）即电池管理系统，是一种对电池进行管理和监控的智能系统，在电池应用中起着至关重要的作用，尤其在电动汽车、储能系统等领域。

BMS

• BMS简介
  • BMS
    • 1.电池管理系统
    • 2.电压、电流、温度漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC&SOH 状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN 总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。
  • 必要性
    • 避免过充放
    • 减少电芯间的差异
  • 功能
    • 电池实时状态监测
      • 电压、电流、温度、SOC、容量
    • 热管理、均衡管理、充放电管理、故障报警
    • 建立通信总线，向显示系统、整车控制器、充电机实现数据交互
• 系统组成
  • 系统框图
  • 概述
    • 采集单元
      • 每个采集单元可测量多节电池端电压及多个测量点温度，安装在每个电池箱内。
    • 电池均衡控制模块
      • 当电池箱内电池电压不一致超过规定值时，在充电电流小于一定值后，可自动对电池进行均衡。
    • 主控单元
      • 主控单元完成对电池组总电压、总电流的检测，并通过CAN总线与采集单元、均衡模块、显示单元或车载仪表系统及充电机等通信。
        • 主控模块
        • 从控模块
    • 显示单元
      • 用于电池组的状态以及SOC等各种参数的显示、操作等，并可保存相关数据。
• 模块功能
  • 功能描述
    • 电源模块：给各种用电器件提供稳定电源
    • MCU模块：采集、分析数据、收发控制信号
    • 继电器控制模块：控制继电器的吸合、断开来控制电池组是否向外供电
    • 电流检测模块：采集电池组充放电过程中的充放电电流
    • 电压检测模块：测量电池组各个模块电压
    • 温度检测模块：检测电池组充放电过程中电池组温度
    • 均衡控制模块：对电池均衡进行控制
    • 总电压与绝缘检测模块：监测动力电池组总电压以及电池组与车体之间的绝缘是否符合要求
    • CAN收发模块：进行其他控制器与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断,协调整车控制系统与MCU之间的通信
    • RS232收发模块：用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、参数的修正
  • 主要技术要点
    • 主回路控制模块
      • BMCU输出高低电平控制信号来控制驱动继电器闭合与断开，实现主回路继电器的吸合与开启。串行互锁控制方式，提高控制可靠性。
    • 电压采集
      • 采用专用的电压采集芯片对单体电池电压进行模数转换后，通过光耦将数字信号传至LMCU。单体电池电压的检测精度为5mV
    • 温度采集
      • 采用数字式温度传感器，把每个温度传感器的地线、数据线、电源线进行合并，采用一根数据总线来进行通信，温度检测精度为1℃。
    • 数据处理与SOC估算
      • 承担了电池管理系统核心的计算工作，包括电池组的SOC，最高、最低温度，最大、最小充放电功率，最大、最小充放电电流，最大、最小模块电压等数据的分析计算。SOC的估算在安时计量方法的基础上，采用电池的OCV-SOC曲线对SOC进行修正。
  • 特点与优势
    • 保护功能
      • 过压保护
      • 欠压保护
      • 过流保护
      • 短路保护
      • 超温保护
      • 漏电保护
    • 性能
      • 高级电池均衡功能
      • 可重复利用
      • 在260ns内快速处理短路事件
    • 管理功能
      • RS232接口
      • CAN总线接口
      • 历史故障记录
  • 研究方向

BMS系统简介

• 基础知识简介
  • 开路电压
    • 开路电压：电池在断路时电池两极的电极电位之差。开路电压是一个实际测量的值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄电池为2.1V电动势＞开路电压电池的电动势或开路电压值取决于所组成电池的电极材料与电解质的活度和放电的温度，与电池的几何形状和尺寸大小无关。
  • 额定电压
    • 额定电压：在规定条件下电池工作的标准电压。用来区分电池体系。3. 额定电压：在规定条件下电池工作的标准电压。用来区分电池体系。如：铅酸电池：2.0V镉镍电池：1.2V氢镍电池：1.2V锌锰电池：1.5V锂离子电池：3.6-3.8V。
  • 放电终止电压
    • 放电终止电压：指放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。为人为规定的值。例如：锂离子电池充电时，终止电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。
  • 工作电压
    • 工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压。电池放电电压的变化与放电制度有关，即放电曲线的变化还受放电制度的影响，包括：放电电流，放电温度，放电终止电压；间歇还是连续放电。放电电流越大，工作电压下降越快；随放电温度的增加，放电曲线变化较平缓；对于二次电池，放电电压低于规定的终止电压叫做过放电，过放电常常会影响到蓄电池的循环寿命。恒阻放电恒流放电恒流放电连续放电间歇放电。
  • 功率和比功率
    • 功率和比功率：电池在一定放电条件下，单位时间所输出的能量，用P表示，单位为W。理论功率实际功率实际比能量质量比能量比能量理论比能量体积比能量功率是电池的重要性能，它表示电池放电速率的大小，电池的功率越大，电池可以大电流或高速放电。
  • 能量和比能量
    • 能量和比能量：电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。
    • a.理论能量电池的放电过程处于平衡状态，放电电压保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100％，在此条件下电池的输出能量为理论能量(W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功(W0=C0E)。
    • b.实际能量电池放电时实际输出的能量称为实际能量。电池放电时实际输出的能量称为实际能量。
    • c.比能量单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或wh/L。
• 功能及参数采集
  • 数据采集
    • 电压采集
      • 继电器阵列法
        • 组成
          • 端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关
        • 应用特点
          • 所需要测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合使用
      • 恒流源法
        • 组成
          • 运放和场效应管组合构成减法运算恒流源电路
        • 应用特点
          • 结构较简单，共模抑制能力强，采集精度高，具有很好的实用性。
      • 隔离运放采集法
        • 组成
          • 隔离运算放大器、多路选择器等
        • 应用特点
          • 系统采集精度高，可靠性强，但成本较高
      • 压/频转换电路采集法
        • 组成
          • 压/频转换器、选择电路和运算放大电路
        • 应用特点
          • 压控振荡器中含有电容器，而电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差也越大
      • 线性光耦合放大电路采集法
        • 应用特点
          • 线性光耦合放大电路不仅具有很强的隔离能力和抗干扰能力，还使模拟信号在传输过程中保持较好线性度，电路相对较复杂，精度影响因素较多
    • 温度采集
      • 热敏电阻采集法
        • 原理
          • 利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，用一个定值电阻和热敏电阻串联起来构成一个分压器，从而把温度的高低转化为电压信号，再通过模数转换得到温度的数字信息。
        • 特点
          • 热敏电阻成本低，但线性度不好，而且制造误差一般也比较大。
      • 热电偶采集法
        • 原理
          • 采集双金属体在不同温度下产生不同热电动势，通过查表得到温度的值。
        • 特点
          • 由于热电动势的值仅和材料有关，所以热电偶的准确度很高。但是由于热电动势都是毫伏等级的信号，所以需要放大，外部电路比较复杂。
      • 集成温度传感器采集法
        • 原理及特点
          • 集成温度传感器虽然很多都是基于热敏电阻式的，但都在生产的过程中进行校正，所以精度可以媲美热电偶，而且直接输出数字量，很适合在数字系统中使用。
    • 电流采集
  • 安全管理
  • 热管理
  • 均衡控制
  • 通信功能
  • 人机接口
• 能量管理
  • 电池状态计算
    • SOC介绍
      • (1)电池电量管理是电池管理的核心内容之一，对于整个电池状态的控制，电动车辆续驶里程的预测和估计具有重要的意义。
      • (2)由于动力电池荷电状态(SOC)的非线性，并且受到多种因素的影响，导致电池电量估计和预测方法复杂，准确估计SOC比较困难。
    • 影响因素
      • 充放电电流
        • 大电流可充放电容量低于额定容量，反之亦然。
      • 温度
        • 不同温度下电池组的容量存在着一定的变化。
      • 电池容量衰减
        • 电池的容量在循环过程中会逐渐减少。
      • 自放电
        • 自放电大小主要与环境温度有关，具有不确定性。
      • 一致性
        • 电池组的一致性差别对电量的估算有重要的影响。
    • 精确估算SOC的作用
      • 保护蓄电池
        • 准确控制电池SOC范围，可避免电池过充电和过放电
      • 提高整车性能
        • SOC不准确，电性能不能重复发挥，整车性能降低
      • 降低对动力电池的要求
        • 准确估算SOC，电性能可充分使用，降低对动力电池性能的要求
      • 提高经济性
        • 选择较低容量的动力电池可降低整车制造成本
        • 由于提高了系统可靠性，后期维护成本降低
  • 能量管理
    • 开路电压法
      • 随着放电电池容量的增加，电池的开路电压降低。可以根据一定的充放电倍率时电池组的开路电压和SOC的对应曲线，通过测量电池组开路电压的大小，插值估算出电池SOC的值
    • 容量积分法
      • 容量积分法是通过对单位时间内，流入流出电池组的电池进行累积. 从而获得电池组每一轮放电能够放出的电量，确定电池SOC的变化。
    • 电池内阻法
      • 电池内阻有交流内阻(常称交流阻抗)和直流内阻之分，它们都与SOC有密切关系。准确测量电池单体内阻比较困难，这是直流内阻法的缺点。在某些电池管理系统中，内阻法与Ah计量法组合使用来提高SOC估算的精度。
    • 模糊逻辑推理和神经网络法
    • 卡尔曼滤波法
      • 对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算，适用于各种电池，不仅给出了SOC的估计值，还给出了SOC的估计误差。
      • 缺点：要求电池SOC估计精度越高，电池模型越复杂，涉及大量矩阵运算，工程上难以实现，该方法对于温度、自放电率以及放电倍率对容量的影响考虑的不够全面。
• 均衡管理
  • 均衡分类
    • 能量耗散型均衡
      • 主要通过令电池组中能量较高的电池利用其旁路电阻进行放电的方式损耗部分能量，以期达到电池组能量状态的一致。如混合动力汽车
    • 能量非耗散型均衡
      • 能量非耗散式均衡电路拓扑结构目前已出现很多种，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池
  • 能量耗散型均衡管理
    • 通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡
      • 电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成
      • 由于均衡电阻在分流的过程中，不仅消耗了能量，而且还会由于电阻的发热引起电路的热管理问题
      • 只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统的可靠性，不适用于动态均衡
      • 仅适合于小型电池组或者容量较小的电池组。
    • 恒定分流电阻均衡充电电路
      • 每个电池单体上都始终并联一个分流电阻。
      • 可靠性高，分流电阻的值大，通过固定分流来减小由于自放电导致的单体电池差异
      • 无论电池充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率，能量损失大
      • 一般在能够及时补充能量的场合适用
    • 开关控制分流电阻均衡充电电路
      • 工作在充电期间，可以对充电时单体电池电压偏高者进行分流，分流电阻通过开关控制
      • 当单体电池电压达到截止电压时，阻止其过充并将多余的能量转化成热能
      • 由于均衡时间的限制，导致分流时产生的大量热量需要及时通过热管理系统耗散，尤其在容量比较大的电池组中更加明显
  • 非能量耗散型均衡管理
    • 能量转换式均衡
      • 通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换
    • 能量转移式均衡
      • 利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上
• 电安全管理
  • 主要包括烟雾报警、绝缘检测、自动灭火、过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池等功能。
    • 动力电池在电动车辆上安装应用，因此必须满足车辆部件的耐振动、 耐冲击、耐跌落、耐盐雾等强度要求，保证可靠应用。
    • 为满足防水、防尘要求，电池包应满足一定的IP防护等级
    • 在极端工况下，通过电池安全管理系统应能实现电池包的高压断电保护、过流断开保护、过放电保护、过充电保护等功能。
  • 烟雾报警
  • 绝缘检测
    • 漏电直测法
      • 将万用表打到电流档，串在电池组正极与设备外壳(或者地)之间， 可检测到电池组负极对壳体之间的漏电流
      • 将万用表打到电流档，串在电池组负极与壳体之间检测电池组正极对壳体之间的漏电流。
      • 该方法简单易行，在现场故障检测、车辆例行检查中常用。
    • 电流传感器法
      • 将电池系统的正极和负极动力总线一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此，穿过电流传感器的电流为零，电流传感器输出电压为零，当发生漏电现象时，电流传感器的输出电压不为零。根据该电压的正负可以进一步判断该漏电电流是来自于电源正极还是负极。
      • 应用这种检测方法的前提是待测动力电池组必须处于工作状态，要有工作电流的流入和流出，它无法在系统空载的情况下评价电池系统对地的绝缘性能。
    • 绝缘电阻表测量法
      • 绝缘电阻表俗称兆欧表，绝缘电阻表大多采用手摇发电机供电，故又称摇表，它的刻度是以绝缘电阻为单位的，是电工常用的一种测量仪表
      • 用绝缘电阻表可直接测量绝缘电阻的阻值

电池配组技术

• 电池配组技术的必要性
  • 单体使用无法满足需求
    • 在电动汽车的动力系统中，电机等负载多需要电池系统进行高功率、高容量的输出，目前的单体电池多无法满足其功率需求，因此常常使用多个单体电池的串并联连接来满足使用需求。
  • 配组技术
    • 按照车辆需求确定电池系统的能量、功率、电压等参数
    • 设计多节电池的串并联方法
    • 按照一定规则分选出一致性较好的单体电池（电池配组技术）
    • 保障电池系统的可靠性
  • 必要性
    • 差异的必然性
      • 实践证明，即使严格控制配料、活浆、涂布、裁剪、辊压等工艺过程，只是缩小批量产品之间的标准差。统计数学指出：若影响某一随机变量的随机因素很多，且其中每个因素的影响独自都不能起决定性作用，这些因素的影响又可叠加，则该随机变量服从正态分布。决定这一分布特性的参数有两个：标准差σ和均值μ。
    • SAMPLE
      • 电池充放电过程的电压值是该电池热力学和动力学状态的综合反映，既受电池生产过程中各工序工艺条件的影响，又受电池充放电过程中电流、温度、时间和使用过程中偶然因素的影响（如在充放电条件完全相同的情况下，相邻两次的放电时间也不完全相同）因而电池组内各个电池的电压（内阻，容量）值不可能完全一样。它们服从正态分布规律。
    • 正是由于这种差异的存在，所以为保证调峰能力（输出性能），整体寿命（使用成本）等，因此，需要进行适当的配组。
• 电池不一致性的原因
  • 静态性能不一致性（一次不一致性）
    • 在制造过程中，由于工艺、材质的不均匀，使得电池内部反应条件与反应物质的不一致，主要体现在电池活性物质的量、活化程度、孔隙率、电导率、扩散系数、连接件阻值等等微小差别，使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数值不可能完全一致
  • 动态性能不一致性（二次不一致性）
    • 电池组在使用过程中，由于前期制造的产品存在微小差别，以及其模组的组装方式造成的环境差别，比如各个电池的温度、通风散热条件、连接件安装等造成的阻值等存在差别，在一定程度上加剧了电池电压、内阻及容量等参数的不一致
  • 影响因素
    • 活性物质的量
    • 电导率
    • 电解液浓度
    • 固相扩散系数
    • 液相扩散系数
    • 离子活度
    • 电极孔隙率
    • 通道扩散距离
    • 电解液成分浓度
    • 粒径尺寸
• 配组技术的应用及相关方法
  • 阈值法
    • 阈值筛选
      • 设定生产基准值及公差值如容量范围2.2Ah±3%以内
      • 依据容量值进行筛分，范围的进入下一轮
      • 经常进行多元筛分，如容量，电压，内阻*
    • 层次分组
      • 依据参数数值与阈值范围比较进行分组
      • 极差和极差系数的计算辅助分组
    • 方差分配
      • 对各个组内的参数进行标准差计算
      • 比较标准差系数与设定经验值，低于经验值为合格，不合格的选极差最大剔除等待后选
  • 聚类分析法
  • 特性反映法
• 除配组技术外的保证一致性的措施