詳解 BMS在動力電池安全方面所起到的作用

從電池管理系統(tǒng)（BMS）的組成和功能出發(fā)，詳細(xì)分析BMS在動力電池安全方面所起到的作用。

一、電池管理系統(tǒng)在整車上的位置

動力電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，縮寫B(tài)MS），電動汽車動力電池包的低壓管理系統(tǒng)，在整個電動汽車上的位置如下圖所示：

BMS在整車系統(tǒng)中的位置

我們看到，電池管理系統(tǒng)和動力電池組一起組成電池包整體。與電池管理系統(tǒng)有通訊關(guān)系的兩個部件，整車控制器和充電機。電池管理系統(tǒng)，向上，通過CANbus與電動汽車整車控制器通訊，上報電池包狀態(tài)參數(shù)，接收整車控制器指令，配合整車需要，確定功率輸出；向下，監(jiān)控整個電池包的運行狀態(tài)，保護(hù)電池包不受過放、過熱等非正常運行狀態(tài)的侵害；充電過程中，與充電機交互，管理充電參數(shù)，監(jiān)控充電過程正常完成。

二、BMS組成

大型動力電池包

電池管理系統(tǒng)，總的來說，都是由主控模塊和采集模塊或者叫從控模塊共同構(gòu)成的。單體電壓采集、溫度采集和均衡功能一般分配在從控模塊上；總電壓，總電流的采集，內(nèi)外部通訊，故障記錄，故障決策，都是主控模塊的功能。

BMS功能結(jié)構(gòu)

按照采集模塊和主控模塊在實體上的分配布置不同，BMS分為集中式和分布式兩種。

1 集中式

形式上，整個管理系統(tǒng)安置在一個盒體里。全部電壓，溫度，電流采集信號線，直接連接到控制器上。采集模塊和主控模塊的信息交互在電路板上直接實現(xiàn)。這種形式一般用在總體電壓比較低，電池串?dāng)?shù)比較少的小型車上。

可取之處在于，省去了從板，進(jìn)而省去了主板從板之間的通訊線束和接口，造價低，信號傳遞可靠性高。

缺點也很明顯，全部線束都直接走線到控制盒，無論控制器布置在什么位置，總有一部分線束會跑長線。信號受到干擾的幾率增加，線束質(zhì)量和制作水平以及固定方式也受到考驗。

2 分布式

一個主控盒和幾個從控盒共同組成。主控盒只接入通訊線，主控負(fù)責(zé)采集的信號線，給從板提供的電源線等必須的線束。從控盒，布置在自己負(fù)責(zé)采集溫度、電壓的電池模組附件，把采集到的信號通過CAN線報告給主控模塊。有的電池模組，直接把電壓、溫度采集線做在模組內(nèi)部，用一個線對線連接器引出。電池包組裝時，直接對插連接器即可。

分布式，主要應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)，電池串?dāng)?shù)多，或者商用車這種一輛車上布置幾個電池箱的情況。

這樣的設(shè)計，確實帶來了成本的小幅提高。但同時減少了線束應(yīng)用，降低了現(xiàn)場接線工作量，也就降低了接線錯誤的幾率。分布式，是適合于大批量，自動化生產(chǎn)的設(shè)計形式。

三、BMS功能

1 從控模塊功能

從控模塊，一般只具備電壓、溫度采集功能和均衡功能。由于電池系統(tǒng)要求的功能越來越多，也有廠家開始給從板添加控制功能，例如增加接觸器觸發(fā)端口，用以控制分布在從板附近的電器，像加熱器、滅火器之類。

均衡功能，作為從板反作用于電池包，起到優(yōu)化電池系統(tǒng)功能的一項能力需要多說一句。

均衡，分為主動均衡和被動均衡。

所謂主動均衡，是能量的轉(zhuǎn)移，基于削峰填谷的理念。具體的實現(xiàn)形式多種多樣，有用變壓器將總能量部分的轉(zhuǎn)移到電壓偏低的電池上的，也有利用電容電感等儲能器件，從電壓高的電芯放出一部分能量，再充入電壓低的電芯。

所謂被動均衡，是能量的消耗，把電壓高的電芯接入電阻回路，讓多出來的電量消耗在電阻上。

二者各有優(yōu)劣之處。

主動均衡，可以做到比較大的電流，均衡的效果比較明顯；能量只是轉(zhuǎn)移了一下，沒有消失，是一種節(jié)能的工作方式。但主動均衡需要的變壓器、電容、電感等器件，體積比較大，造價比較高，使得理論上具備優(yōu)勢的主動均衡策略至今還沒有得到普遍的應(yīng)用；

被動均衡，受電阻發(fā)熱的限制，均衡電流無法做的太大，故而效果不是特別理想。但優(yōu)勢在于，體積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低。在產(chǎn)品要求不是特別高的場合，客戶反而會選擇被動均衡系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品性價比。同時，通過每隔一段時間，對電芯進(jìn)行維護(hù)，來解決均衡不充分造成的電池壓差偏大問題。

2 主控模塊功能

不同廠家設(shè)計的功能略有差距，并且隨著技術(shù)的發(fā)展和市場對電池管理系統(tǒng)要求的提高，一些功能逐漸被增加進(jìn)來。

監(jiān)測采集方面的功能：電池包總體參數(shù)采集和計算，比如總電流，總電壓，最高最低單體電壓，最高最低溫度點溫度，絕緣情況。

電池包狀態(tài)估計和管理：荷電狀態(tài)SOC，健康狀態(tài)SOH，安全狀態(tài)SOF，功率狀態(tài)SOP，功能狀態(tài)SOF，以及熱管理等等。

SOC，當(dāng)前電池荷電量占當(dāng)前總體可用容量的百分比，表征當(dāng)前剩余電量的多少，反應(yīng)在車輛儀表盤上可能變成了剩余里程數(shù)。

SOH，各家定義略有不同，主流是按照當(dāng)前電池包總?cè)萘空夹码姵爻跏既萘康陌俜直龋碚麟姵匕匣潭鹊囊粋€重要參數(shù)。實際上，國標(biāo)要求的動力電池退役指標(biāo)，就是按照容量特征來定義的。

SOP，動力電池的放電能力，隨著SOC的降低，以及環(huán)境溫度的變化，會有所不同。剩余電量太少，溫度過高或者過低，電池包都需要降低功率工作，以保護(hù)電池不受不可逆的損傷，避免發(fā)生熱失控事故。

SOF，是個比較新的概念，由SOC和SOH共同確定，如下圖。

SOF示意圖

目前主流的大家都在做的是SOC，隨著加入電動汽車生產(chǎn)競爭行列的廠家越來越多，市場越來越成熟，安全和性能的要求也會日益提高。其他幾個有用的狀態(tài)估計，應(yīng)該會逐漸成為BMS算法設(shè)計的必選項。

熱管理

前面幾個功能都是對電池包當(dāng)前狀態(tài)的反應(yīng)，而熱管理功能，則使得電池管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵匕┘又鲃幼饔谩ｋ姵販囟冗^高時，熱管理系統(tǒng)開動冷卻功能，電池溫度過低無法啟動行車時，熱管理系統(tǒng)開動加熱功能。對于主控模塊，熱管理只是一套算法和幾個接觸器控制端口。熱管理技術(shù)含量，主要集中在冷卻加熱設(shè)備以及與之匹配的冷卻出現(xiàn)冷凝水、風(fēng)冷解決密封等級等等具體問題上。

具備熱管理功能，對整個電池系統(tǒng)意義重大，是設(shè)計者能夠阻止熱失控發(fā)生的重要手段，是從設(shè)計上保障動力電池安全和延長使用壽命的不二法門。

絕緣監(jiān)測

實時監(jiān)測電池包系統(tǒng)的絕緣情況，由于對電氣系統(tǒng)的影響重大，絕緣故障被定義為級別最高的故障類型。

四、動力電池包使用安全

1 正常使用過程中的安全問題

動力電池包的安全問題，從根本上說都是電池系統(tǒng)熱失控問題。系統(tǒng)散熱能力與系統(tǒng)生熱能力不匹配，熱量在系統(tǒng)內(nèi)積累，電池溫度上升，最終導(dǎo)致燃爆等惡略后果。借用一張圖來說事。

鋰電池熱失控示意圖

上圖體現(xiàn)的是性能正常的電芯，熱量積累引發(fā)熱失控的過程。撞擊，穿刺等機械損傷造成的熱失控，不在這張圖的描述范圍。

鋰電池負(fù)極SEI膜，是在系統(tǒng)溫度上升過程中，最先出現(xiàn)失效的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)起始溫度在90到100°左右。考慮電池的內(nèi)外溫差以及保留部分冗余設(shè)計，這就是我們的電池包工作溫度上限一般設(shè)置在50到60°之間的原因。

正常使用中，防止熱失控，一方面避免過多熱量的產(chǎn)生和積累；另一方面，提高熱管理水平，讓電池在它最適合的溫度環(huán)境下工作。

2 帶來熱失控風(fēng)險的行為

在過高溫度下使用

原因如前面所述，從鋰電池負(fù)極SEI膜溶解開始，失去保護(hù)的負(fù)極與電解液反應(yīng)放熱，電解液分解放熱，正極分解放熱，這些熱量積累起來，反應(yīng)逐漸加劇，反應(yīng)從一只單體蔓延到附近電芯，一個模組的反應(yīng)，給整個電池箱內(nèi)的電芯加熱，這就是所謂熱失控的過程。

在過低溫度下使用

電池包都會標(biāo)注一個使用溫度范圍，低于下限溫度，電池也是無法正常工作的。低溫放電，理論上沒有跟熱失控有明確關(guān)聯(lián)，但低溫造成電解質(zhì)活性降低，導(dǎo)電能力變差，進(jìn)而導(dǎo)致放電能力變差，就是我們所謂的放不出電來，車子沒勁兒。如果是低溫強行充電，則會造成負(fù)極析鋰問題，容量會受到永久損傷不說，析出的鋰積累在那里，是熱失控的重要原因。

過大倍率使用

超過電芯允許能力的大倍率放電，系統(tǒng)熱量不能及時散去，熱量積累，逐漸加大了熱失控的風(fēng)險。同時，過大倍率的放電，使得正極材料的鋰離子嵌入過程超速進(jìn)行，造成正極晶格坍塌，容量永久性損失。

大倍率充電，使得鋰離子通過SIE膜的速度低于鋰離子向負(fù)極積聚的速度，出現(xiàn)鋰單質(zhì)在負(fù)極表面堆積現(xiàn)象，如果過程反復(fù)進(jìn)行，鋰枝晶不斷生長，最終會刺破隔膜，造成內(nèi)短路，引發(fā)熱失控。

過充過放電

過充，充電截止電壓超過了電芯的最高電壓，造成正極活性材料晶格塌陷，鋰離子脫嵌通道受阻，使內(nèi)阻急劇升高，產(chǎn)生大量熱；負(fù)極堆積了過量的鋰單質(zhì)，附著在負(fù)極表面，所謂析鋰現(xiàn)象。正負(fù)極的反應(yīng)過程都容易最終走向熱失控。

過放，本來應(yīng)該是鋰離子從負(fù)極脫出，嵌入正極晶格，但負(fù)極沒有那么多的正離子可以提供，使得負(fù)極的集流體銅排失去銅離子，銅離子游離在電解質(zhì)中，附著在正極或者負(fù)極，都會造成整個系統(tǒng)的失效。

BMS從板

五、BMS在熱失控風(fēng)險防范上的作用

1 BMS的已有功能

對于熱失控風(fēng)險的防范，BMS主要是起到監(jiān)督作用，防止電池濫用發(fā)生。

溫度，BMS有明確的工作溫度閾值設(shè)置，針對充電，放電均有最高最低的溫度限制，超過設(shè)置限制，系統(tǒng)不得開啟或者必須降功率運行；

電壓，針對過充過放風(fēng)險，BMS設(shè)置有最高最低的充電和放電電壓閾值，確保在觸及電壓閾值時，系統(tǒng)自動停止運行。

熱管理，根據(jù)電池包的理想工作溫度，命令冷卻加熱系統(tǒng)工作，防止過冷過熱情況的出現(xiàn)。

消防，按照國標(biāo)要求，商用車已經(jīng)強制添加消防功能，系統(tǒng)出現(xiàn)消防風(fēng)險，會采取報警和噴射滅火劑等措施。只是，當(dāng)前的消防探測技術(shù)和算法都還沒有得到充分發(fā)展，充分的發(fā)揮作用還需要一些時間。

2 BMS還在發(fā)展的功能

比如前文提到的一些狀態(tài)估計SOH、SOF等，精確的狀態(tài)估計，是動力電池恰當(dāng)使用的前提，這方面的研究也在日益增多。

精確的溫度反饋能力，理想的溫度監(jiān)測應(yīng)該能夠反映每顆電芯的實時溫度，當(dāng)前，由于技術(shù)和成本問題，還無法做到。

總結(jié)

動力電池安全是電動汽車推廣的一個瓶頸，電池管理系統(tǒng)除了強化被動監(jiān)控能力以外，加強均衡和熱管理等主動作用于動力電池的能力，是除了加強電芯、模組等自身設(shè)計安全性以外，從本質(zhì)上提高系統(tǒng)安全性的根本所在。