電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
動力鋰電池管理系統（BatteryManagementSystem，縮寫BMS），電動車動力鋰電池組的低壓管理系統，在整個電動車上的位置如下圖所示：
BMS在整車系統中的位置
我們看到，電池管理系統和動力鋰電池包一起組成電池組整體。與電池管理系統有通訊關系的兩個部件，整車控制器和充電機。電池管理系統，向上，通過CANbus與電動車整車控制器通訊，上報電池組狀態參數，接收整車控制器指令，配合整車要，確定功率輸出；向下，監控整個電池組的運行狀態，保護電池組不受過放、過熱等非正常運行狀態的侵害；充電過程中，與充電機交互，管理充電參數，監控充電過程正常完成。
二、BMS組成
電池管理系統，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功能結構
按照采集模塊和主控模塊在實體上的分配布置不同，BMS分為聚集式和分布式兩種。
1聚集式
形式上，整個管理系統安置在一個盒體里。全部電壓，溫度，電流采集信號線，筆直連接到控制器上。采集模塊和主控模塊的信息交互在電路板上筆直實現。這種形式一般用在總體電壓比較低，電池串數比較少的小型車上。
可取之處在于，省去了從板，進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。
缺點也很分明，全部線束都筆直走線到控制盒，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新增，線束質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，主控負責采集的信號線，給從板供應的電源線等非得的線束。從控盒，布置在自己負責采集溫度、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，筆直把電壓、溫度采集線做在模組內部，用一個線對線連接器引出。電池組組裝時，筆直對插連接器即可。
分布式，緊要使用于高電壓系統，電池串數多，或者商用車這種一輛車上布置幾個電池箱的情況。
這樣的設計，實在帶來了成本的小幅提高。但同時減少了線束使用，降低了現場接線工作量，也就降低了接線錯誤的幾率。分布式，是適合于大批量，自動化加工的設計形式。
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，例如新增接觸器觸發端口，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組，起到優化電池系統功能的一項能力要多說一句。
均衡，分為主動均衡和被動均衡。
所謂主動均衡，是能量的轉移，基于削峰填谷的理念。詳盡的實現形式多種多樣，有用變壓器將總能量部分的轉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。
二者各有優劣之處。
主動均衡，可以做到比較大的電流，均衡的效果比較分明；能量只是轉移了一下，沒有消失，是一種節能的工作方式。但主動均衡要的變壓器、電容、電感等器件，體積比較大，造價比較高，使得理論上具備優點的主動均衡策略至今還沒有得到普遍的使用；
被動均衡，受電阻發熱的限制，均衡電流無法做的太大，故而效果不是特別理想。但優點在于，體積小，系統結構簡單，造價低。在產品要求不是特別高的場合，客戶反而會選擇被動均衡系統，以提高產品性價比。同時，通過每隔一段時間，對電芯進行維護，來處理均衡不充足造成的電池壓差偏大問題。
2主控模塊功能
不同廠家設計的功能略有差距，并且隨著技術的發展和市場對電池管理系統要求的提高，一些功能逐漸被新增進來。
監測采集方面的功能：電池組總體參數采集和計算，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。
電池組狀態估計和管理：荷電狀態SOC，健康狀態SOH，安全狀態SOF，功率狀態SOP，功能狀態SOF，以及熱管理等等。
SOC，當前電池荷電量占當前總體可用容量的百分比，表征當前剩余電量的多少，反應在車輛儀表盤上可能變成了剩余里程數。
SOH，各家含義略有不同，主流是按照當前電池組總容量占新電池初始容量的百分比，表征電池組老化程度的一個緊要參數。實際上，國標要求的動力鋰電池退役指標，就是按照容量特征來含義的。
SOP，動力鋰電池的放電能力，隨著SOC的降低，以及環境溫度的變化，會有所不同。剩余電量太少，溫度過高或者過低，電池組都要降低功率工作，以保護電池不受不可逆的損傷，避免發生熱失控事故。
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，隨著加入電動車加工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估計，應當會逐漸成為BMS算法設計的必選項。
熱管理
前面幾個功能都是對電池組當前狀態的反應，而熱管理功能，則使得電池管理系統能夠對電池組施加主動作用。電池溫度過高時，熱管理系統開動冷卻功能，電池溫度過低無法啟動行車時，熱管理系統開動加熱功能。關于主控模塊，熱管理只是一套算法和幾個接觸器控制端口。熱管理技術含量，緊要聚集在冷卻加熱設備以及與之匹配的冷卻出現冷凝水、風冷處理密封等級等等詳盡問題上。
具備熱管理功能，對整個電池系統意義重大，是設計者能夠阻止熱失控發生的緊要手段，是從設計上保障動力鋰電池安全和延長使用壽命的不二法門。
絕緣監測
實時監測電池組系統的絕緣情況，由于對電氣系統的影響重大，絕緣故障被含義為級別最高的故障類型。
四、動力鋰電池組使用安全
1正常使用過程中的安全問題
動力鋰電池組的安全問題，從根本上說都是電池系統熱失控問題。系統散熱能力與系統生熱能力不匹配，熱量在系統內積累，電池溫度上升，最終導致燃爆等惡略后果。借用一張圖來說事。
鋰電池熱失控示意圖
上圖體現的是性能正常的電芯，熱量積累引發熱失控的過程。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。
鋰電池負極SEI膜，是在系統溫度上升過程中，最先出現失效的結構，反應起始溫度在90到100°左右。考慮電池的內外溫差以及保留部分冗余設計，這就是我們的電池組工作溫度上限一般設置在50到60°之間的原由。
正常使用中，戒備熱失控，一方面避免過多熱量的萌生和積累；另一方面，提高熱管理水平，讓電池在它最適合的溫度環境下工作。
2帶來熱失控風險的行為
在過高溫度下使用
原由如前面所述，從鋰電池負極SEI膜溶解開始，失去保護的負極與電解液反應放熱，電解液分析放熱，正極分析放熱，這些熱量積累起來，反應逐漸加劇，反應從一只單體蔓延到附近電芯，一個模組的反應，給整個電池箱內的電芯加熱，這就是所謂熱失控的過程。
在過低溫度下使用
電池組都會標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聯，但低溫造成電解質活性降低，導電能力變差，進而導致放電能力變差，就是我們所謂的放不出電來，車子沒勁兒。倘若是低溫強行充電，則會造成負極析鋰問題，容量會受到永久損傷不說，析出的鋰積累在那里，是熱失控的緊要原由。
過大倍率使用
超過電芯準許能力的大倍率放電，系統熱量不能及時散去，熱量積累，逐漸加大了熱失控的風險。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極積聚的速度，出現鋰單質在負極表面堆積現象，倘若過程反復進行，鋰枝晶不斷生長，最終會刺破隔膜，造成內短路，引發熱失控。
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，使內阻急劇升高，萌生大量熱；負極堆積了過量的鋰單質，附著在負極表面，所謂析鋰現象。正負極的反應過程都容易最終走向熱失控。
過放，本來應當是鋰離子從負極脫出，嵌入正極晶格，但負極沒有那么多的正離子可以供應，使得負極的集流體銅排失去銅離子，銅離子游離在電解質中，附著在正極或者負極，都會造成整個系統的失效。
BMS從板
五、BMS在熱失控風險防范上的作用
1BMS的已有功能
關于熱失控風險的防范，BMS緊要是起到監督作用，戒備電池濫用發生。
溫度，BMS有明確的工作溫度閾值設置，針對充電，放電均有最高最低的溫度限制，超過設置限制，系統不得開啟或者非得降功率運行；
電壓，針對過充過放風險，BMS設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，系統自動停止運行。
熱管理，依據電池組的理想工作溫度，命令冷卻加熱系統工作，戒備過冷過熱情況的出現。
消防，按照國標要求，商用車已經強制添加消防功能，系統出現消防風險，會采取報警和噴發滅火劑等措施。只是，當前的消防檢測技術和算法都還沒有得到充足發展，充足的發揮作用還要一些時間。
2BMS還在發展的功能
比如前文提到的一些狀態估計SOH、SOF等，精確的狀態估計，是動力鋰電池恰當使用的前提，這方面的研究也在日益增多。
精確的溫度反饋能力，理想的溫度監測應當能夠反映每顆電芯的實時溫度，當前，由于技術和成本問題，還無法做到。
總結
動力鋰電池安全是電動車推廣的一個瓶頸，電池管理系統除了強化被動監控能力以外，增強均衡和熱管理等主動作用于動力鋰電池的能力，是除了增強電芯、模組等自身設計安全性以外，從本質上提高系統安全性的根本所在。
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