BMS系統(tǒng)均衡及SOC簡介

1、BMS均衡簡介目的：克服電池不一致帶來的嚴(yán)重影響。在電池使用中，人們強(qiáng)烈地提出了對電池進(jìn)行均衡的要求。為此，近十幾年來，許多電池管理系統(tǒng)(BMS)的研發(fā)者，采用了各種各樣的方法來進(jìn)行電池的均衡。歸納起來有以下幾種方法：(1)分流法，也叫旁路法。原理：在電池充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，通過并聯(lián)在該電池的電阻分流該電池的一部分電流，從而達(dá)到降低該電池充電電壓的目的。原理圖1:圖中，E1、EiEn為單體電池的電動(dòng)勢，R1、RbiRn為單體電池的內(nèi)阻，U1、UiUn為單體電池的充電電壓，R為單體電池并聯(lián)的電阻。UC是總充電電壓，I是總充電電流，lb是流過電池的電流，IR是流過并聯(lián)電阻R的

2、電流。設(shè)刀E為各單體電池電動(dòng)勢之和，刀R為各單體電池并聯(lián)電阻之和這種方案，結(jié)構(gòu)復(fù)朵，體積大，分流時(shí)發(fā)熱量大，通用性差。均衡電電流不宜過 大。!(2)切斷法充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，通過自動(dòng)控制開關(guān)該電池的電路。等效電路圖如圖2:當(dāng)電池i的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，開關(guān) K i1打開，Ki2合上。電池i斷路， 圖2切斷法等效圖電流IKi從Ki2流過IKi。此時(shí)，電池的總電壓會(huì)下降一個(gè)電池的電壓。這種方法只能防止電池過壓充電，沒有均衡作用。其次，它所用的切斷開關(guān)的負(fù)載能力，隨電池容量增加而加得很大，不宜采用。(3)并聯(lián)法所謂并聯(lián)法，就是把電池按先并后串的連接方式使用。 這也是一些電池生

3、產(chǎn)廠家和電池的使用者，企圖利用一些小容量電池組成大容量、高電壓電池組所采用的方法。這種方法的等效電路原理圖如圖3所示：圖3并立法等效原理圖1)當(dāng)整個(gè)串聯(lián)電池組開路時(shí)電動(dòng)勢不一致的電池并聯(lián)時(shí)，電動(dòng)勢高的電池會(huì)向電動(dòng)勢低的電池充電，一直延續(xù)到 各電池的電動(dòng)勢相同，各電池電流接近零為止。所以，并聯(lián)使用的電池，只要它們的電壓 有差異，隨時(shí)都可以在并聯(lián)組內(nèi)自動(dòng)均衡。因?yàn)槌浞烹姇r(shí)要損失能量，所以均衡后電池組 的電動(dòng)勢總要小于平均電動(dòng)勢，這會(huì)使串聯(lián)的各電池組之間的一致性變壞。2） 整個(gè)串聯(lián)電池組閉合時(shí)電池的電動(dòng)勢為零，且其內(nèi)組也為零時(shí)，流過這個(gè)電池的電流是其它兩個(gè)電池的外部短 路電流和串聯(lián)回路電流之和，電流

4、很大，溫度很高，很容易使這個(gè)電池著火燃燒。但是電池的電動(dòng)勢和電池的容量平衡不了。各電池的容量和內(nèi)阻有差別時(shí)，各電池的 充、放電電流就不一樣。內(nèi)阻高，電流小。內(nèi)阻低，電流大。這樣又會(huì)引起各電池容量的 不一致。容量不一致，又會(huì)引起電池電壓的不一致。因而又會(huì)引起高電壓電池向低電壓電 池充電的循環(huán)過程。但是，我們知道電池充放電過程是要損失能量的。因此，并聯(lián)電池自 動(dòng)平衡的結(jié)果，又會(huì)使各并聯(lián)組之間的一致性變壞。 電池并聯(lián)后，無法測量各單體電池的 電壓，因而就無法實(shí)施對電池組中各單體電池的監(jiān)控?？梢?，用并聯(lián)法是無法實(shí)現(xiàn)電池組 電池的均衡效果的。 （4） 能量回收法：在充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值

5、時(shí)，通過升壓器（如陶瓷變壓器）或儲(chǔ) 能器件（如電容器），把該電池的部分能量送回充電回路，從而達(dá)到既降低該電池的充電電 壓，又能回收能量的目的。圖 4 是其等效電路原理圖。這種方法存在上述、種方法的弊端，所以也不適宜用它去進(jìn)行電池的均衡U （充電總電壓）1-Ur.11 |+E. Ri口 RiE a RrHI升壓器升壓器升壓器予a圖4能量回收法等效原理圖（5）輔助充電法 輔助充電法的等效電路原理圖如圖 5所示充電原理:在充電時(shí)，用一個(gè)主充電器對串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電，其充電電流約占總充電的圖5輔助充電法等效原理圖90%左右。在此同時(shí)或當(dāng)充電到電池容量的 80%90%寸，啟動(dòng)輔助充電器（合上開K）,_

6、 Uc （充電總電壓）Ui| Ej Ri 忖匚 R* 鼻緬充電器 十Kj稱助充超器主充電器I1 出 EnRn f 備助充腹器 _ 十KcKi個(gè)個(gè)電池獨(dú)進(jìn)行輔助充電。當(dāng)某一電池的充電電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就減小或停止（打開開關(guān)K）對該電池進(jìn)行輔助充電。一直到所有電池的充電電壓都達(dá)到設(shè)定值，總的充電電流減小到設(shè)定的最小充電電流時(shí)，才停止主充電器和輔助充電器的充電這種方法是國外一家公司開發(fā)的產(chǎn)品。但是，實(shí)際上很難達(dá)到予想的均衡效果。主 要原因是輔助充電器的調(diào)節(jié)能力有限，因?yàn)檩o助充電器不能做得很大，滿足不了調(diào)節(jié) 的要求。再說這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)朵、體積大、造價(jià)高、適應(yīng)性小，所以，輔助充電法也 不宜推廣使用。(6

7、) 單充法所謂單充法，就是一個(gè)個(gè)電池或一組組電池單獨(dú)充電，每一個(gè)(組)電池分別控制。如圖6所示Ej Ri充電甜hli Ei 乩充電器iVU1UiUn-IIiK圖6單充電法等效原理圖(7) 充、放電均衡裝置為了充分利用每個(gè)蓄電池所儲(chǔ)備的能量，有些電池管理系統(tǒng)(BMS)的專家專門研發(fā)出一種電池管理系統(tǒng)(BMS)，在充放電時(shí)，經(jīng)常檢測各單體電池的電壓，當(dāng)單體電池電 壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就把高電壓電池的部分能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池上去，使得在充電 時(shí)每個(gè)電池都能充滿，放電時(shí)每個(gè)電池的剩余能量大致相同。電池能量轉(zhuǎn)移的方法與能量回收法大體相似。顯然，這種方法的弊端，與上述能量回收法的弊端大體相同，同時(shí)它違背了淺

8、充淺放的蓄電池最佳使用原則。與全充全放相比，淺充淺放對電池的使用壽命至少可以提高1.5倍。所以沒有必要用這種充、放電均衡裝置去進(jìn)行電池的均衡。下面幾種方法是非損耗均衡方法比較常用的方法：（8）開關(guān)電容法：開關(guān)電容法是在每兩個(gè)相鄰的蓄電池之間通過開關(guān)器件與一個(gè)電容并聯(lián)，如圖2所示。通過控制開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號PWM勺占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)電池之間能量的傳遞。例如若蓄電 池單體容量B1高于B2,G1開通G2關(guān)斷時(shí)，電容C1和電池單體B1并聯(lián)，B1將能量傳 遞給C1;G1關(guān)斷G2開通時(shí)，電容C1和電池單體B2并聯(lián)，C1將能量傳遞給B2,完成這個(gè) 周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推，通過控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，利用

9、電容實(shí)現(xiàn)能量的逐 個(gè)傳遞。圖7 開關(guān)電容法等效原理圖這種方法損耗很小，但是卻存在下面幾個(gè)問題： 1 由于沒有傳感器，當(dāng)有異常情況時(shí)可靠性不能保證:2只能實(shí)現(xiàn)電壓均衡，無法做到 SOC衡;3.均衡的效率較低，不適合于大電流充電時(shí)的快速均衡。4相鄰電池電壓差很小時(shí)，均衡時(shí)間將非常長。(9) 飛渡電容法飛渡電容器電壓均衡電路主要由飛渡電容器Cf、開關(guān)網(wǎng)絡(luò) S電壓檢測單元及微機(jī)控制系統(tǒng)共5部分，組成如圖8所示。微機(jī)控制系統(tǒng)通過電壓檢測單元實(shí)時(shí)檢測每支超級 電容器的工作電壓，選出當(dāng)前工作周期內(nèi)工作電壓最高的電容器Cmax和工作電壓最低的電容器Cmh在下一個(gè)工作周期內(nèi)，開關(guān)S1閉合、S2斷開，電流11從C

10、max流出經(jīng)過S1、 Cf形成回路LOOP1 Cf充電，Cmax放電。當(dāng)Cf的電壓接近于CmaX的電壓時(shí)，開關(guān)S1斷 開，開關(guān)S2閉合，電流I2從Cf流出經(jīng)過S2、Cmin形成回路LOOP2 Cmin充電，Cf放 電。當(dāng)Cf的電壓接近于Cmin的電壓時(shí)，開關(guān)S2斷開，S1閉合。多次重復(fù)上述過程后， Cmax和Cmin之間的電壓差就會(huì)越來越小，最終實(shí)現(xiàn)超級電容組的電壓均衡。圖8 飛渡電容法等效原理圖(10) DC-DC變流器法：利用電力電子的方法進(jìn)行均衡，按結(jié)構(gòu)可分為集中式和分布式。從理論上講沒有損耗,是現(xiàn)在電池均衡研究的主流方向1）雙向DC-DC變流器法：該方法每個(gè)蓄電池單體都連接一個(gè)雙向 D

11、CD（變流器后再串聯(lián)，如圖9所示。由于蓄電 池單體電壓等級比較低，一般情況下將蓄電池單體作為低壓側(cè)。在給蓄電池組充電時(shí)，根 據(jù)圖 10 的控制策略， 可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)蓄電池單體的恒壓充電， 如果將該控制策略的電壓外 環(huán)打開，可以根據(jù)均衡的需要進(jìn)行恒流充放電控制。在放電時(shí)，如果連接負(fù)載較重，有些 雙向DC-DC變流器的電感可能工作在斷續(xù)狀態(tài)。圖9雙向DC-DC變流器法結(jié)構(gòu)圖圖10 蓄電池單體恒壓充電控制框圖這種均衡方法可以同時(shí)對所有電池單體進(jìn)行充放電，并針對不同電池單體的容量情況 控制充放電電流。此方法控制靈活，充放電均衡時(shí)間短。但由于每個(gè)蓄電池單體都需要一 個(gè)雙向DC-DC變流器，因此成本較高。

12、2）根據(jù)均衡的時(shí)段 可以分為 充電均衡 和放電均衡。在有些場合的應(yīng)用下（通常是DOD不是非常深的情況下），可以不使用放電均衡。由于在電動(dòng)汽車的應(yīng)用上，通常DOD都要超過 80% ，為避免單個(gè)電池的過放而保護(hù)，再充電和放電狀態(tài)下均加入均衡功能。在實(shí)際應(yīng)用中，車載電池放電電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電電流，放電電流能達(dá)到1C,最大甚至能達(dá)到3C,要想做這么大電流的均衡會(huì)造成均衡器的性價(jià)比很低，所以我們選擇的時(shí)候按照車 輛勻速 30KM/H 的速度行使時(shí)的放電電流來計(jì)算均衡電流。在此處我們選擇的均衡電流為 3A。大約為10%的放電電流。根據(jù)均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡， 雙向型使用雙向變換器， 輸入

13、輸 出方向動(dòng)態(tài)調(diào)整。比較而言，雙向型更具優(yōu)勢，基于均衡效率考慮，單向型均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充 電均衡。電池電量SOC的估算方法一、意義：SOC是電動(dòng)車輛運(yùn)行過程中非常重要的參數(shù)。對于純電動(dòng)車輛，SOC數(shù)據(jù)是防止電池過充和過放的主要依據(jù)，只有準(zhǔn)確估算電池組的 SOC才能有效提高純電動(dòng)車輛的利用效率、保證電池組的使用壽命、優(yōu)化駕駛，只有提供了準(zhǔn)確的SoC才能起到延長電池的使用時(shí)間tf、定義:SOC SOC。soc =剩余可用電量=總的可用電量IdttoCi三、目前常用的電池電量估算方法: 1）安時(shí)法（電量累計(jì)法）通過累積電池在充電

14、或放電時(shí)的電量來估計(jì)電池的 soc并根據(jù)電池的溫度、放電率對SOC進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算方法:式子中SOC為出示SOC C為電池額定容量，I為充放電電流，為充放電效率優(yōu)點(diǎn)：簡單，在短時(shí)間能夠準(zhǔn)確估算 SOC缺點(diǎn)：開環(huán)預(yù)測，存在無法確定初始 SOC和累計(jì)誤差越來越大的問題。2）開路電壓法通過實(shí)驗(yàn)方法描述在不同放電電流情況下的電池的端電壓與電池的剩余能量的關(guān)系曲 線，并存儲(chǔ)特征關(guān)系曲線。實(shí)時(shí)采樣電池放電時(shí)的端電壓，查表求出電池的剩余能量，同 時(shí)考慮電池的使用壽命以及內(nèi)阻對電池 socM影響，對求得的電池剩余能量進(jìn)行校正。優(yōu)點(diǎn)：簡單易行。缺點(diǎn)：但是需要電池長時(shí)間靜置，不能滿足在線檢測的要求。3）阻抗法 （內(nèi)阻

15、法）荷電狀態(tài)（soc）影響電池的交流阻抗，因此有學(xué)者提出可以用阻抗值來估計(jì) SOC用不同 頻率的交流電激勵(lì)電池，測量電池內(nèi)部交流電阻，并通過建立的計(jì)算模型得到 SOC估計(jì)值。 優(yōu)點(diǎn)：反映了電池在某特定恒流放電條件下的 SOCfio缺點(diǎn)：根據(jù)此SOC判斷電池能繼續(xù)放出的電量，還必須考慮后階段放電率的實(shí)際情況。此外，由于電池SOC與電阻參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難建模，還有很多因素都可以改變內(nèi)阻，比如溫度，充放電電流， SOH等。當(dāng)SOC4%時(shí)，阻抗變化很小。4）卡爾曼濾波法它利用系統(tǒng)和測量動(dòng)態(tài)的知識(shí)、假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和測量誤差的統(tǒng)計(jì)特性，以及初始條件 信息，對測量值進(jìn)行處理，求得系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計(jì)。電動(dòng)汽車用電池組，可看作是 由輸入和輸出組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在了解系統(tǒng)一定先驗(yàn)知識(shí)的前提下， 建立系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)方程， 再利用輸出的校驗(yàn)作用， 獲得對系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)在內(nèi)無法直接測量的內(nèi)部參數(shù)估計(jì)。在電池等效電路模型的基礎(chǔ) 上，建立了系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程。根據(jù)電池組放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法 估計(jì)電池組的開路電壓，實(shí)現(xiàn)對電池荷電狀態(tài)的估計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：能夠根據(jù)采集到