摘要：隨著新能源汽車保有量的不斷增多，BMS作為連接儲能電池與新能源汽車之間的重要紐帶，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)輸出動力。一個完整的BMS需要有精確的SOC估算、有效的均衡控制策略，還需要穩(wěn)定的熱管理機制。本文將對BMS系統(tǒng)的三大核心技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及方向進行詳細剖析。

　　從復(fù)雜產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)驗可以看出，功能是產(chǎn)品發(fā)展的初級階段，可擴展性是發(fā)展的高級階段，標準化是發(fā)展的最終階段。BMS是非常典型的復(fù)雜產(chǎn)品，目前正處于功能擴展性延伸的重要節(jié)點。而刺激產(chǎn)品功能延伸的重要因素有兩點，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)展方向進行分析，將有助于未來的技術(shù)進步。

　　SOC技術(shù)：BMS中的重點和難點，估算精度決定著核心競爭力

　　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，準確估計電池剩余電量、保證SOC維持在合理范圍內(nèi)、防止過充電或過放電對電池造成損傷，對于電池系統(tǒng)和新能源汽車系統(tǒng)的正常運行非常重要。SOC的高精度估算,不僅能夠估計新能源汽車儲能電池當前的剩余電量,提高均衡一致性和輸出功率,減少額外冗余;還可以為準確評估電池的健康狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，以便實時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，糾錯能力越強，相同容量電池的電動車就有更高的續(xù)航里程和更長的使用壽命。算法是決定SOC精度和糾錯能力的關(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)的核心競爭力。SOC估計算法一般通過對電池的電壓、溫度、電流等模擬量的觀測和累計，建立這些模擬量與SOC關(guān)系的數(shù)學模型，以估算實時數(shù)據(jù)。SOC算法有很多種，各種估算方法都有優(yōu)缺點。特斯拉等車企主要應(yīng)用安時積分法和開路電壓標定法，建立電池模型，采集大量數(shù)據(jù)，將實際數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)進行比較，但開路電壓、瞬時電流、充放電倍率、環(huán)境溫度、自放電率、庫倫效率、電阻特性等諸多因素都會對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)：被動均衡占據(jù)市場主流，主動均衡價格高但功能全

　　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電芯達到均衡一致的狀態(tài)，才能實現(xiàn)出力一致。有研究數(shù)據(jù)表明，單體電芯20%的容量差異會帶來電池組40%的容量損失，由此可見均衡控制對儲能電池發(fā)揮性能的重要作用。均衡控制分為主動均衡與被動均衡。主動均衡是對電池組在充電、放電或者放置過程中，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。被動均衡是通過設(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最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內(nèi)電池差異時，即通過與其并聯(lián)的能耗電阻進行放電，以達到減小不同電芯之間差距的目的，是能量的消耗。主動均衡電路復(fù)雜，成本高，可靠性相對較低，但使用效率高;被動均衡電路簡單可靠，成本較低，但是只能用于充電過程中，電池效率也較低。從市場份額來看，被動均衡的BMS遠遠高于主動均衡BMS，主要原因就是主動均衡的成本比被動均衡高出不少，而被動均衡技術(shù)目前能滿足系統(tǒng)所需的功能，因此BMS廠商一般使用被動均衡技術(shù)，但大多數(shù)廠商也都儲備了主動均衡技術(shù)。未來隨著電芯一致性的提高和對更多駕駛功能的追求，對被動均衡的需求可能會降低，主動均衡BMS將會占領(lǐng)高端電動汽車市場的份額。

　　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

　　儲能電池系統(tǒng)由多個單體電芯串聯(lián)或并聯(lián)組成，回路中存在電池、線纜、元器的內(nèi)阻，在充放電過程中會產(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)生的熱量如果沒有采取控制措施，放任其累積可能使電池溫度達到60℃以上，超出電池的工作溫度范圍，嚴重影響電池的放電容量及使用壽命。BMS需要具有熱檢測、熱控制、熱保護及熱管理信息顯示的功能，使電池工作在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，降低各個電池模塊間的溫度差異。目前市場上的熱管理系統(tǒng)技術(shù)主要以液冷、風冷為主，國內(nèi)熱管理技術(shù)主要采用風冷技術(shù)，國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，可能導致熱管理系統(tǒng)失效。熱管冷卻技術(shù)利用熱管的熱超導性能，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，影響電池熱量導出效果，且導出的熱量仍需要通過主動或被動手段處理。混合式熱管理系統(tǒng)屬于主動散熱與相變材料相結(jié)合，適合復(fù)雜情況，同時自身內(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

　　儲能電池在充放電的時候會發(fā)生各種化學反應(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)展和進步，推動了BMS的迭代更新，保證了電池系統(tǒng)和整車的安全平穩(wěn)運行。但目前這三項技術(shù)還都存在明顯的缺陷和不足，無法保證電池工作的萬無一失，未來這些技術(shù)的重大突破，將引領(lǐng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革命性進展。