电池管理系统（BMS）核心技术的发展现状及方向

       摘要：随着新能源汽车保有量的不断增多，BMS作为连接储能电池与新能源汽车之间的重要纽带，其作用越发凸显。BMS集电池或电池组的监测及管理于一体，确保电池系统的安全可靠，并以最佳状态输出动力。一个完整的BMS需要有精确的SOC估算、有效的均衡控制策略，还需要稳定的热管理机制。本文将对BMS系统的三大核心技术的发展现状及方向进行详细剖析。

　　从复杂产品的发展经验可以看出，功能是产品发展的初级阶段，可扩展性是发展的高级阶段，标准化是发展的最终阶段。BMS是非常典型的复杂产品，目前正处于功能扩展性延伸的重要节点。而刺激产品功能延伸的重要因素有两点，新技术的出现和产品外部环境的重大变化，外因是无法抗拒的，那么作为内因的核心技术就发挥着关键作用。作为BMS的三大核心技术，对SOC技术、均衡控制技术和热管理技术的发展现状和发展方向进行分析，将有助于未来的技术进步。

　　SOC技术：BMS中的重点和难点，估算精度决定着核心竞争力

　　SOC(state of charge)指电池的荷电状态，是BMS中最重要的参数。电池工作特性呈现高度非线性，因此，准确估计电池剩余电量、保证SOC维持在合理范围内、防止过充电或过放电对电池造成损伤，对于电池系统和新能源汽车系统的正常运行非常重要。SOC的高精度估算,不仅能够估计新能源汽车储能电池当前的剩余电量,提高均衡一致性和输出功率,减少额外冗余;还可以为准确评估电池的健康状态提供数据依据，以便实时了解电池的老化程度。因此,高精确度和鲁棒性是SOC保证电池发挥最大效能的基础：估算精度越高，纠错能力越强，相同容量电池的电动车就有更高的续航里程和更长的使用寿命。算法是决定SOC精度和纠错能力的关键，一直是业界持续投入研究的技术难题，已经成为了BMS企业的核心竞争力。SOC估计算法一般通过对电池的电压、温度、电流等模拟量的观测和累计，建立这些模拟量与SOC关系的数学模型，以估算实时数据。SOC算法有很多种，各种估算方法都有优缺点。特斯拉等车企主要应用安时积分法和开路电压标定法，建立电池模型，采集大量数据，将实际数据与计算数据进行比较，但开路电压、瞬时电流、充放电倍率、环境温度、自放电率、库伦效率、电阻特性等诸多因素都会对SOC状态造成影响，因此模型中加入其他影响因素的修正系数也很重要。

图1 SOC不同的估算方法

　　均衡控制技术：被动均衡占据市场主流，主动均衡价格高但功能全

　　均衡控制是指保证电池单体的参数一致性。电池组由多只电芯串并联组成，只有使电池组中各个电芯达到均衡一致的状态，才能实现出力一致。有研究数据表明，单体电芯20%的容量差异会带来电池组40%的容量损失，由此可见均衡控制对储能电池发挥性能的重要作用。均衡控制分为主动均衡与被动均衡。主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。能量转移一般有两种方法，一种是将能量高的单体电池能量均衡到能量低的电池，另一种是将电压(容量)高的单体电池的能量转移给一个备用电池，再由备用电池转移到其它电压(容量)较低的电池。被动均衡是通过设定充电电压的“上限阈值电压”，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即通过与其并联的能耗电阻进行放电，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是能量的消耗。主动均衡电路复杂，成本高，可靠性相对较低，但使用效率高;被动均衡电路简单可靠，成本较低，但是只能用于充电过程中，电池效率也较低。从市场份额来看，被动均衡的BMS远远高于主动均衡BMS，主要原因就是主动均衡的成本比被动均衡高出不少，而被动均衡技术目前能满足系统所需的功能，因此BMS厂商一般使用被动均衡技术，但大多数厂商也都储备了主动均衡技术。未来随着电芯一致性的提高和对更多驾驶功能的追求，对被动均衡的需求可能会降低，主动均衡BMS将会占领高端电动汽车市场的份额。

　　热管理技术：保持电池系统的合适工作温度，提升电池性能

　　储能电池系统由多个单体电芯串联或并联组成，回路中存在电池、线缆、元器的内阻，在充放电过程中会产生大量热量。电池的正常工作温度范围是0-50℃,而系统产生的热量如果没有采取控制措施，放任其累积可能使电池温度达到60℃以上，超出电池的工作温度范围，严重影响电池的放电容量及使用寿命。BMS需要具有热检测、热控制、热保护及热管理信息显示的功能，使电池工作在适当的温度范围内，降低各个电池模块间的温度差异。目前市场上的热管理系统技术主要以液冷、风冷为主，国内热管理技术主要采用风冷技术，国外主要采用液冷技术。除此之外，还有相变冷却、热管冷却和混合式冷却技术。相变冷却适用于直接冷却，PCM吸收电池放出的热量，自身发生相变，使电池迅速降温，但在高环境温度、高热流密度的极端环境下，有效相变热焓的消耗速度非常快，可能导致热管理系统失效。热管冷却技术利用热管的热超导性能，在不消耗能量的前提下将热量快速带走，但热管的形状与电池外形匹配难度较大，影响电池热量导出效果，且导出的热量仍需要通过主动或被动手段处理。混合式热管理系统属于主动散热与相变材料相结合，适合复杂情况，同时自身内部结构也非常复杂，可以兼顾冷却与加热需求，利用相变材料降低系统温差，使系统保持紧凑的结构。

　　结语

　　储能电池在充放电的时候会发生各种化学反应，如何保障电池系统的安全，是电池管理技术的核心问题。SOC、均衡控制、热管理这三大关键技术的不断发展和进步，推动了BMS的迭代更新，保证了电池系统和整车的安全平稳运行。但目前这三项技术还都存在明显的缺陷和不足，无法保证电池工作的万无一失，未来这些技术的重大突破，将引领新能源汽车产业的革命性进展。