【电池管理系统(BMS)-01】 | 电池管理系统简介，动力电池和储能电池区别

 

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引言                        

       随着新能源行业的不断发展和政策的鼓励，锂电池逐渐深入千家万户。市面上的锂电池主要分为两大类——动力电池和储能电池。下面简要分析

正文 

01-动力电池和储能电池                      

何为动力电池？

1、动力电池：动力电池顾名思义是用在动力系统上的，用来提供动力的锂电池。像我们平常常见的两轮车、三轮车、新能源汽车等都是动力电池。

何为储能电池？

2、储能电池：储能电池是一种能够将电能转化为化学能并储存起来的电池，随着太阳能发电、风力发电等的普及，很多家庭和基站都是用上储能电池来进行电的存储和使用。

动力电池和储能电池的区别？

1、能量密度     

        前文我们提到动力电池是用来提供动力的锂电池，对电池能量的要求高。而动力电池受到汽车体积、重量的限制以及启动时的加速等各种因素的影响，不能够配备很大的重量，所以电池的能量密度就成为了动力电池和大部分储能电池区分的重要因素。动力电池的能量密度较高，以小体积实现大能量才能更适配动力电池使用场景的要求。

2、循环寿命     

        无论是家庭储能还是一些电网基站，一般情况下，储能电池都是比动力电池大块头的多，成本也很高。因此要做到节省成本和维持稳定运行，就要包装一组电池组能够使用更长的年限，这样才能获得更低的全生命周期度电成本。     

        所以储能电池的循环寿命一般都比动力电池要长，目前市面上的储能电池，循环次数寿命一般都能大于4000次。

02-荷电状态（State of Charge）SOC              

        SOC（State of Charge，充电状态）是电池管理系统（BMS）中一个非常重要的参数，它表示电池当前的电量水平。SOC通常以百分比形式表示，0%代表电池完全放电，100%代表电池充满电。这是整个BMS系统需要计算的最重要的参数，它其实就是你手机上的剩余电量有多少，因此，对该参数的计算是否准确，影响着电池的使用寿命。

        在动力系统（如电动汽车）和储能系统（如家庭或工业储能设备）的应用中，SOC的要求确实有所不同：

        动力系统（电动汽车）：

        精度要求高：电动汽车的电池需要精确的SOC估算，以确保行驶范围的预测准确性，避免电池过度放电导致的电动车无法继续行驶的情况。驾驶过程中对电池的能量使用和管理非常重要，因此电池管理系统需要提供高精度的SOC估算。

        动态变化：电动汽车的电池在加速、制动等驾驶过程中，电流变化较大，对SOC的实时估算精度要求更高。

        储能系统：

        稳定性要求高：储能系统通常用于平衡电网负荷或在电力需求高峰时提供备用电源，因此SOC的精度要求虽然也很重要，但对实时动态变化的要求相对较低。

        计算参数：储能系统可能会涉及更多的能量存储和释放策略，因此BMS需要计算和跟踪更多的状态参数，以优化能量管理和提高系统效率。

        总的来说，SOC的精度对电池管理系统的可靠性和性能有直接影响。电动汽车对SOC的实时精度和可靠性要求更高，而储能系统则更加关注长期稳定性和效率管理。

03-BMS电池管理系统

        BMS（Battery Management System，电池管理系统）是用于监控和管理电池组（尤其是锂离子电池）的电子系统。其主要目的是确保电池在安全、有效的工作范围内运行，延长电池的使用寿命，并确保整个系统的性能。以下是BMS的详细说明：

（1）主要功能

1. 电池监测

   • 电压监测：实时监测电池组中每个单体电池的电压，确保其在安全范围内。
   • 电流监测：测量电池组的充放电电流，防止过流情况发生。
   • 温度监测：监测电池的温度，防止因过热导致的安全问题或性能下降。

2. 均衡管理

   • 均衡充电：通过主动或被动均衡技术，平衡电池组中各个单体电池的电荷，确保电池组整体性能优化和使用寿命延长。

3. 保护功能

   • 过充保护：防止电池过充，从而避免电池损坏或安全隐患。
   • 过放保护：防止电池过度放电，避免电池容量损失或深度放电带来的安全风险。
   • 过温保护：在电池温度超过安全范围时，采取措施保护电池和系统。

4. 状态评估

   • 剩余电量估算：根据电池的充放电情况，估算剩余电量（SOC，State of Charge）。
   • 健康状态评估：评估电池的健康状况（SOH，State of Health），检测电池的老化情况。

5. 通信接口

   • 数据通信：与外部设备或系统进行数据交换，提供电池状态信息。
   • 报警与诊断：在发现异常情况时，通过通信接口发出警报，并记录故障信息以供后续分析。

6. 充电管理

   • 充电控制：根据电池的状态和需求，调节充电过程中的充电速率和电压，确保充电过程安全高效。

（2）BMS的结构

1. 测量电路：用于实时采集电池的电压、电流和温度数据。
2. 控制单元：主要是微控制器（MCU），负责处理数据，执行均衡、保护和通信功能。
3. 均衡电路：实现电池单体间的电荷均衡，保证电池组的整体性能。
4. 通信模块：与外部设备或系统进行数据传输和交流，常见的通信协议包括CAN、UART、I2C等。

（3）应用领域

1. 电动车辆：BMS确保电动车的电池组在充放电过程中保持最佳状态，并提供续航、充电等信息。
2. 储能系统：在家用或工业储能系统中，BMS用于管理大规模电池组，优化能源存储和使用。
3. 便携式设备：如手机、笔记本电脑等，BMS确保电池在日常使用中的安全和高效。

        BMS在现代电池技术中扮演着至关重要的角色，它不仅保证了电池的安全使用，还通过优化电池管理提高了系统的整体性能和效率。

        BMS 电池管理系统绝对是最关键的核心之一，它决定了电池包的各个部件、功能能否协调一致，并直接关系到电池包能否安全使用。下图中为BMS黑盒模型，途中的这些电压、温度以及电流也是BMS系统测量得到，然后通过这些进行计算SOC、SOE等。

         BMS可以用于一个或者多个锂离子电池的应用， 下面是BMS的原理图，是一个3S1P的电池，因为它是由3个电池串联而成的电池组，BMS是一个电路，它通常非常靠近电池，用于监控每个电池的电压，测量每个电池的电压值，同时监控整个电池组的电压。

        此外，也会检测流入或者流出电池组的电流，这个可以使用电流分流器或者霍尔效应类型的电流传感器测量得到，最后BMS有一个主断开器，用于终止或者继续电池的充电或者放电，特别是在电池进入不安全或者不良的状态下，最右边会有两个连接外部电路的端子，M可能时电机控制器，电动汽车，BMS监控内部的一切，并通过通信接口与外部电路进行通信。

        SOC指的是State of Charge荷电状态，它指的是输入电流和输出电流之间的差值对时间的积分；而SOE指的是State of Energy能量状态，它指的是输出功率和输入功率之间的差值对时间的积分，并且功率又等于电压乘以电流，因此，SOC和SOE不相等。SOC和SOE的计算公式也在下图中。

04-BMS计算SOC荷电状态的方法

（1）库伦计数法

        在BMS系统中利用传感器进行输入电流和输出电流的检测，电量就是两者电流之间差值对时间的积分，计算得到电量之后，便可以对SOC进行估算，计算方法如下图所示，但是由于一些问题，也会造成估算具有一定误差，因此，需要更好的方法进行计算。

（2）阻抗跟踪法

        最准确，最常用，比较复杂的一种方法，第一个功能：计算最大可用容量，OCV代表开路电压，首先在闲置状态时，通过OCV1和OCV2计算出SOC1和SOC2，在工作时，使用库伦计数法计算电量。最大可用容量就是使用通过的电量除以开路电压相减得到，但是这个最大可用容量还是化学意义上的容量。而不是工作上的最大放电容量。

        第二个功能：及时更新电池的阻抗值，因为电池阻抗即使在外部条件一致的情况下，也会随着SOC的变化而变化，这就需要系统不断的更新新的电池阻抗值，获得新的负载下的电压容量曲线。

        第三个功能：对电池的温度进行预测，电池随着时间的推移，温度不断发生变化，而温度将影响电池的内阻，从而改变最大可用容量，需要系统对温度进行及时的预测。系统可以通过对输入值的检测，左侧图中的5个输入值，就可以通过系统计算得到输出值温度。

        注意：从上述流程可以看出，电池内部产热由电池内阻决定，而温度又决定电池内阻，也就是说，输入值和输出值之间相互影响，需要不断迭代，计算。

总结                        

       BMS在现代电池技术中扮演着至关重要的角色，它不仅保证了电池的安全使用，还通过优化电池管理提高了系统的整体性能和效率。