摘要：隨著新能源汽車(chē)保有量的不斷增多，BMS作為連接儲(chǔ)能電池與新能源汽車(chē)之間的重要紐帶，其作用越發(fā)凸顯。BMS集電池或電池組的監(jiān)測(cè)及管理于一體，確保電池系統(tǒng)的安全可靠，并以最佳狀態(tài)輸出動(dòng)力。一個(gè)完整的BMS需要有精確的SOC估算、有效的均衡控制策略，還需要穩(wěn)定的熱管理機(jī)制。本文將對(duì)BMS系統(tǒng)的三大核心技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及方向進(jìn)行詳細(xì)剖析。

　　從復(fù)雜產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可以看出，功能是產(chǎn)品發(fā)展的初級(jí)階段，可擴(kuò)展性是發(fā)展的高級(jí)階段，標(biāo)準(zhǔn)化是發(fā)展的最終階段。BMS是非常典型的復(fù)雜產(chǎn)品，目前正處于功能擴(kuò)展性延伸的重要節(jié)點(diǎn)。而刺激產(chǎn)品功能延伸的重要因素有兩點(diǎn)，新技術(shù)的出現(xiàn)和產(chǎn)品外部環(huán)境的重大變化，外因是無(wú)法抗拒的，那么作為內(nèi)因的核心技術(shù)就發(fā)揮著關(guān)鍵作用。作為BMS的三大核心技術(shù)，對(duì)SOC技術(shù)、均衡控制技術(shù)和熱管理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行分析，將有助于未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步。

　　SOC技術(shù)：BMS中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，估算精度決定著核心競(jìng)爭(zhēng)力

　　SOC(state of charge)指電池的荷電狀態(tài)，是BMS中最重要的參數(shù)。電池工作特性呈現(xiàn)高度非線性，因此，準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余電量、保證SOC維持在合理范圍內(nèi)、防止過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池造成損傷，對(duì)于電池系統(tǒng)和新能源汽車(chē)系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。SOC的高精度估算,不僅能夠估計(jì)新能源汽車(chē)儲(chǔ)能電池當(dāng)前的剩余電量,提高均衡一致性和輸出功率,減少額外冗余;還可以為準(zhǔn)確評(píng)估電池的健康狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，以便實(shí)時(shí)了解電池的老化程度。因此,高精確度和魯棒性是SOC保證電池發(fā)揮最大效能的基礎(chǔ)：估算精度越高，糾錯(cuò)能力越強(qiáng)，相同容量電池的電動(dòng)車(chē)就有更高的續(xù)航里程和更長(zhǎng)的使用壽命。算法是決定SOC精度和糾錯(cuò)能力的關(guān)鍵，一直是業(yè)界持續(xù)投入研究的技術(shù)難題，已經(jīng)成為了BMS企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。SOC估計(jì)算法一般通過(guò)對(duì)電池的電壓、溫度、電流等模擬量的觀測(cè)和累計(jì)，建立這些模擬量與SOC關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，以估算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。SOC算法有很多種，各種估算方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。特斯拉等車(chē)企主要應(yīng)用安時(shí)積分法和開(kāi)路電壓標(biāo)定法，建立電池模型，采集大量數(shù)據(jù)，將實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，但開(kāi)路電壓、瞬時(shí)電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、自放電率、庫(kù)倫效率、電阻特性等諸多因素都會(huì)對(duì)SOC狀態(tài)造成影響，因此模型中加入其他影響因素的修正系數(shù)也很重要。

圖1 SOC不同的估算方法

　　均衡控制技術(shù)：被動(dòng)均衡占據(jù)市場(chǎng)主流，主動(dòng)均衡價(jià)格高但功能全

　　均衡控制是指保證電池單體的參數(shù)一致性。電池組由多只電芯串并聯(lián)組成，只有使電池組中各個(gè)電芯達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)出力一致。有研究數(shù)據(jù)表明，單體電芯20%的容量差異會(huì)帶來(lái)電池組40%的容量損失，由此可見(jiàn)均衡控制對(duì)儲(chǔ)能電池發(fā)揮性能的重要作用。均衡控制分為主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡是對(duì)電池組在充電、放電或者放置過(guò)程中，將荷載較多能量的電芯部分能量轉(zhuǎn)移到能量較少的電芯上去，是能量的轉(zhuǎn)移。能量轉(zhuǎn)移一般有兩種方法，一種是將能量高的單體電池能量均衡到能量低的電池，另一種是將電壓(容量)高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移給一個(gè)備用電池，再由備用電池轉(zhuǎn)移到其它電壓(容量)較低的電池。被動(dòng)均衡是通過(guò)設(shè)定充電電壓的“上限閾值電壓”，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測(cè)出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即通過(guò)與其并聯(lián)的能耗電阻進(jìn)行放電，以達(dá)到減小不同電芯之間差距的目的，是能量的消耗。主動(dòng)均衡電路復(fù)雜，成本高，可靠性相對(duì)較低，但使用效率高;被動(dòng)均衡電路簡(jiǎn)單可靠，成本較低，但是只能用于充電過(guò)程中，電池效率也較低。從市場(chǎng)份額來(lái)看，被動(dòng)均衡的BMS遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主動(dòng)均衡BMS，主要原因就是主動(dòng)均衡的成本比被動(dòng)均衡高出不少，而被動(dòng)均衡技術(shù)目前能滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的功能，因此BMS廠商一般使用被動(dòng)均衡技術(shù)，但大多數(shù)廠商也都儲(chǔ)備了主動(dòng)均衡技術(shù)。未來(lái)隨著電芯一致性的提高和對(duì)更多駕駛功能的追求，對(duì)被動(dòng)均衡的需求可能會(huì)降低，主動(dòng)均衡BMS將會(huì)占領(lǐng)高端電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的份額。

　　熱管理技術(shù)：保持電池系統(tǒng)的合適工作溫度，提升電池性能

　　儲(chǔ)能電池系統(tǒng)由多個(gè)單體電芯串聯(lián)或并聯(lián)組成，回路中存在電池、線纜、元器的內(nèi)阻，在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。電池的正常工作溫度范圍是0-50℃,而系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量如果沒(méi)有采取控制措施，放任其累積可能使電池溫度達(dá)到60℃以上，超出電池的工作溫度范圍，嚴(yán)重影響電池的放電容量及使用壽命。BMS需要具有熱檢測(cè)、熱控制、熱保護(hù)及熱管理信息顯示的功能，使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，降低各個(gè)電池模塊間的溫度差異。目前市場(chǎng)上的熱管理系統(tǒng)技術(shù)主要以液冷、風(fēng)冷為主，國(guó)內(nèi)熱管理技術(shù)主要采用風(fēng)冷技術(shù)，國(guó)外主要采用液冷技術(shù)。除此之外，還有相變冷卻、熱管冷卻和混合式冷卻技術(shù)。相變冷卻適用于直接冷卻，PCM吸收電池放出的熱量，自身發(fā)生相變，使電池迅速降溫，但在高環(huán)境溫度、高熱流密度的極端環(huán)境下，有效相變熱焓的消耗速度非常快，可能導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)失效。熱管冷卻技術(shù)利用熱管的熱超導(dǎo)性能，在不消耗能量的前提下將熱量快速帶走，但熱管的形狀與電池外形匹配難度較大，影響電池?zé)崃繉?dǎo)出效果，且導(dǎo)出的熱量仍需要通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)手段處理。混合式熱管理系統(tǒng)屬于主動(dòng)散熱與相變材料相結(jié)合，適合復(fù)雜情況，同時(shí)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，可以兼顧冷卻與加熱需求，利用相變材料降低系統(tǒng)溫差，使系統(tǒng)保持緊湊的結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　儲(chǔ)能電池在充放電的時(shí)候會(huì)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，如何保障電池系統(tǒng)的安全，是電池管理技術(shù)的核心問(wèn)題。SOC、均衡控制、熱管理這三大關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)了BMS的迭代更新，保證了電池系統(tǒng)和整車(chē)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。但目前這三項(xiàng)技術(shù)還都存在明顯的缺陷和不足，無(wú)法保證電池工作的萬(wàn)無(wú)一失，未來(lái)這些技術(shù)的重大突破，將引領(lǐng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革命性進(jìn)展。