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1 充電機充電電池管理系統(BMS)定義

鋰離子充電機充電電池的安全工作區域如圖1所示。BMS的主要任務是保證充電機充電電池系統的設計性能：1)安全性;;2)耐久性;3)動力性。

圖1鋰離子充電機充電電池安全工作區域示意圖

BMS軟硬件的基本框架如圖2所示，應該具有的功能：1)充電機充電電池參數檢測。2)充電機充電電池狀態估計。3)在線故障診斷。4)充電機充電電池安全控制與報警。5)充電控制。6)充電機充電電池均衡。7)熱管理。8)網絡通訊。9)信息存儲。10)電磁兼容。

圖2車用BMS軟硬件基本框架

2 充電機充電電池管理系統關鍵技術

2.1 充電機充電電池管理系統對傳感器信號的要求

2.1.1 單片充電機充電電池電壓采集精度

一般地，為了安全監控，充電機充電電池組中的每串充電機充電電池充電機充電電池電壓都需要采集。不同的體系對精度的要求不一樣。

圖3單體充電機充電電池OCV曲線及其充電機充電電池電壓采集精度要求

對于LMO/LTO充電機充電電池，單體充電機充電電池電壓采集精度只需達到10 mV。對于LiFePO4/C充電機充電電池，單體充電機充電電池電壓采集精度需要達到1mV左右。但目前單體充電機充電電池的充電機充電電池電壓采集精度多數只能達到5 mV。

2.1.2 采樣頻率與同步

充電機充電電池系統信號有多種，而充電機充電電池管理系統一般為分布式，信號采集過程中，不同控制子板信號會存在同步問題，會對實時監測算法產生影響。設計BMS時，需要對信號的采樣頻率和同步精度提出相應的要求。

2.2 充電機充電電池狀態估計

充電機充電電池各種狀態估計之間的關系如圖4所示。充電機充電電池溫度估計是其他狀態估計的基礎。

圖4充電機充電電池管理系統算法框架

2.2.1 充電機充電電池溫度估計及管理

溫度對充電機充電電池性能影響較大，目前一般只能測得充電機充電電池表面溫度，而充電機充電電池內部溫度需要使用熱模型進行估計。根據估計結構對充電機充電電池進行熱管理。

圖5充電機充電電池內部溫度估計流程

2.2.2 荷電狀態(SOC)估計

SOC算法主要分為單一SOC算法和多種單一SOC算法的融合算法。單一SOC算法包括安時積分法、開路充電機充電電池電壓法、基于充電機充電電池模型估計的開路充電機充電電池電壓法、其他基于充電機充電電池性能的SOC估計法等。融合算法包括簡單的修正、加權、卡爾曼濾波以及滑模變結構方法等。

卡爾曼濾波等基于充電機充電電池模型的SOC估計方法精確可靠，是目前的主流方法。

2.2.3 健康狀態(SOH)估計

SOH是指充電機充電電池當前的性能與正常設計指標的偏離程度。圖6為充電機充電電池性能衰減原理簡單示意圖。目前SOH估計方法主要分為耐久性經驗模型估計法和基于充電機充電電池模型的參數辨識方法。

圖6鋰離子充電機充電電池雙水箱模型

2.2.4 功能狀態(SOF)估計

估計充電機充電電池SOF可以簡單認為是在估計充電機充電電池的最大可用功率。常用的SOF估計方法可以分為基于充電機充電電池MAP圖的方法和基于充電機充電電池模型的動態方法兩大類。

2.2.5 剩余能量(RE)或能量狀態(SOE)估計

RE或SOE是電動汽車剩余里程估計的基礎，與百分數的SOE相比，RE在實際的車輛續駛里程估計中的應用更為直觀。

圖7充電機充電電池剩余能量（RE）示意

圖8是一種適用于動態工況的充電機充電電池剩余放電能量精確預測方法EPM(energypredictionmethod)。

圖8充電機充電電池剩余放電能量預測方法（EPM）結構

2.2.6 故障診斷及安全狀態(SOS)估計

故障診斷是保證充電機充電電池安全的必要技術之一。安全狀態估計屬于充電機充電電池故障診斷的重要項目之一，BMS可以根據充電機充電電池的安全狀態給出充電機充電電池的故障等級。

2.2.7 充電控制

充電析鋰是影響充電機充電電池壽命的主因，目前對于析鋰的機理已經有了研究，基于析鋰狀態識別的充電管理將是今后的主要研究方向，應在保證充電機充電電池負極不發生析鋰情況下，盡可能增大充電充電機充電電池電流，縮短充電時間。

2.2.8 充電機充電電池一致性與均衡管理

單體充電機充電電池的不一致性將最終影響充電機充電電池組的壽命，主要是由單體充電機充電電池容量衰減差異(不可恢復)和荷電量差異兩者造成。后者可以通過均衡方法來補償。

充電機充電電池均衡算法分為基于充電機充電電池電壓一致的均衡策略、基于SOC一致的均衡策略和基于剩余充電電量的均衡策略。最后一種均衡算法約束較寬、效率較高(圖9)。

圖9基于剩余充電容量的耗散式均衡的示意

3 結論

鋰離子充電機充電電池管理系統的基本研究方法為：

1)對鋰離子充電機充電電池機理進行研究，深入了解充電機充電電池性能演變過程;

2)對鋰離子充電機充電電池性能進行測試研究，確定影響充電機充電電池性能的主次因素及規律;

3)采用基于機理、半經驗或經驗的建模方法，建立充電機充電電池管理系統可實際應用的充電機充電電池系統模型;

4)在運行過程中，根據可采集的數據，采用在線或離線識別充電機充電電池系統參數，估計出充電機充電電池狀態(SOC、SOH、SOF、SOE 及故障)，并通過網絡通知整車控制器，保證車輛安全可靠運行。