锂离子电池管理系统的研究

锂离子电池管理系统的研究

龙训连

身份证号：43052819871209xxxx广东，惠州516006

摘要：锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。但是其具有存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等缺点，电池管理系统(BMS)主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理系统的发展，也会增添其它的功能。

关键词：锂离子电池；电池管理系统；过充电；过放电

引言

锂电池在能量密度、功率密度和循环使用寿命方面等方面的明显优势，使其成为纯电动汽车动力电池的首选。锂电池现在的循环寿命许多厂家已经能稳定达到1500次以上。但是在电动汽车中串并联成组使用时，由于各单体动态性能的不一致性，使得各单体电池在实际使用中工作电压变化、容量、能量、内阻等方面逐渐产生差异，最终导致成组寿命不到单体循环寿命的一半。同时锂离子电池在使用过程中不能过充过放，否则将导致电池组寿命快速下降，严重的甚至可能

导致安全问题。为确保锂电池性能安全良好，延长电池使用寿命，必须通过电池管理系统对电池进行合理有效的管理和控制。

电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）通过实时监控电池的工作状态，从而预测电池的容量，避免电池出现过放电、过充电、过热和单体电池之间严重不平衡等状况。电池管理系统对电池组的安全、优化使用，对于整车的安全运行，整车能量管理策略，充电方式的采用，以及运行成本都有很大的影响，是电动汽车的关键组成部分之一。目前所有的锂动力电动汽车都安装电池管理系统。

1.电池管理系统的作用

锂电池管理系统是电池与用户之间的纽带，主要对象是二次电池。二次电池存在以下缺点：

①材料成本高昂，主要是正极材料LiCOO2的价格高，随着正极技术的不断发展，可以采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极，从而有望大大降低锂离子电池的成本；

②与普通电池相比，二次电池的相容性比较差，通常情况下，要用3节普通电池才能将锂离子电池替代。

电池管理系统是保证电动汽车安全、保持动力电源系统正常应用和提高电池寿命的一种相当重要的技术措施。通常情况下，电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能：首先，数据记录及分析，同时挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性。

其次，它能够最大程度的保护电池性能，增加电池的使用寿命，并具备各种警告和保护功能等。通过对电池箱内电池模块的监控，能够将电动汽车的运行、充电等功能与电池的有关参数（电流、电压、内阻、容量）紧密连接起来。

最后，建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

2.锂离子电池管理系统的发展

目前BMS设计应用的SOC预测模型多采用开路电压法或电池内阻法，实用但精度较低，而对锂离子电池的健康状态(SOH)预测模型研究则相对缺乏，未有突破性的研究成果，有关估计方法的研究相对滞后；考虑到SOH与SOC关系密切，都与电池内阻、负载电流、端电压及环境温度等因素有关，且皆为电池管理系统中的重要环节，所以研究人员很少单独研究电池SOH，通常将二者联系在一起进行估计；关于SOH的研究都集中于铅酸电池上，在这方面的研究也日趋成熟，而研究锂离子电池SOH的相对较少；另外，有关电池的研究多以电池单体作为研究对象，而考虑到影响电池组寿命的因素较多，给电池组建模带来困难，并且对于成组后性能和寿命测试还需要积累大量的实验数据为基础，因而该领域的研究成果和文献基本属于空白。因此，针对锂离子电池组的SOH提出新的预测方法，已经成为研究人员积极关注的重点。

最近，上海交通大学马紫峰研究小组在开展燃料电池、二氧化碳捕集与存储系统的多目标、不确定性设计理论研究的基础上与中聚电池研究院和上海电化学能源器件工程技术研究中心合作，面向解决锂离子电池高安全、长寿命运行的电池管理系统难点和热点问题，将化工过程复杂系统的多目标、不确定性设计和操作优化理论应用于BMS设计理论研究中，建立了锂离子电池等效电路模型。还创新性地提出了一种多尺度高斯过程模型框架，它能解耦全局的容量衰减趋势以及局部的容量再生与波动，可同时实现锂离子电池SOH的短期和长期精确预测，为电池的荷电状态(SOC)估计和剩余可用寿命(RUL)预测奠定了坚实的理论和方法基础。

3.锂离子电池剩余电量及影响因素

3.1SOC定义

电池荷电状态SOC是用来描述电动汽车、混合动力汽车和插入式混合动力电动汽车电池组剩余电量的大小，是电池工作过程中的重要参数，SOC的描述相当于燃油汽车的油表的作用，用来提醒驾驶员电动汽车电池组的剩余电量和续驶里程。SOC以百分点作为计量单位。

3.2影响锂离子电池剩余电量的因素

电池的充放电过程是个复杂的电化学反应过程。电池的剩余电量不仅与用电设备本身有关，还和电池本身及外部环境条件有关，例如电池的内阻、温度、自放电率、充放电循环次数和放电电流大小等多种因素的影响，因此对于剩余电量的估计难度很大。

4.锂离子电池SOH估计方法的研究现状

4.1SOH的定义

由于电池长期使用必然发生老化或劣化，因而必须估计电池的健康状况，也称为寿命状态。电池SOH的标准定义是在标准条件下动力电池从充满状态以一定倍率放电到截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量的比值，该比值是电池健康状况的一种反映。

简单来讲，也就是电池使用一段时间后某些直接可测或间接计算得到的性能参数的实际值与标称值的比值，用来判断电池健康状况下降后的状态，衡量电池的健康程度，其实际表现在电池内部某些参数(如内阻、容量等)的变化上。

4.2SOH的研究现状

从国内外研究情况可以看出，尽管电池的SOC和SOH是电池内部状态的两大部分，但是相对SOC的研究，有关电池SOH的研究文献很少，有关估计方法的研究相对滞后；考虑到SOH与SOC关系密切，都与电池内阻、负载电流、端电压及环境温度等因素有关，且皆为电池管理系统中的重要环节，所以研究人员很少单独研究电池SOH,通常将二者联系在一起进行估计；关于SOH的研究都集中于铅酸电池上，在这方面的研究也日趋成熟，而研究锂离子电池SOH的相对较少；另外，有关电池的研究多以电池单体作为研究对象，而考虑到影响电池组寿命的因素较多，给电池组建模带来困难，并且对于成组后性能和寿命测试还需要积累大量的实验数据为基础，因而该领域的研究成果和文献基本属于空白。因此，针对锂离子电池组的SOH提出新的预测方法，已经成为研究人员积极关注的重点。

5.结束语

综上所述，目前各国的锂电池正在不断的发展当中，而与其对应的电池管理系统也将越来越成熟，而对于能够提供锂电池剩余容量、循环次数和电池温度的智能锂电池也将大量地在实际中应用。配合智能化的电池管理系统，电池的使用将会变得越来越便捷，电池能够提供的信息也会越来越多和越来越精确，实际的使用寿命也会越来越长。

参考文献

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[2]李索宇.动力锂电池组均衡技术研究[D].北京交通大学2011

[3]廖晓军,何莉萍,钟志华,周红丽,高学峰.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J].汽车工程.2006(10)