电池管理系统在提高电池寿命中的作用.docx

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电池管理系统在提高电池寿命中的作用

电池管理系统（BMS）在提高电池寿命中的作用

摘要

在储能系统中，可靠性和费用在不间断功能领域（UPS）和其它电池应用领域是非常重要的两个参数。

因此电池寿命的增加和预测电池失败是电池管理系统的两个重要特性。

在一个BMS系统中，可以实现其它几个有用特征。

假如先进的特种电池例如热管理（例如高温度电池）或安全管理（例如锂电池）是必要的，那么BMS系统应尽量充分利用电池的类型和应用。

在较小的系统中，BMS系统与电池具有非常紧密的关系，并且没有BMS系统的运行是不可能实现的。

1、简介

对于电信应用来说，具有高可靠性的电源供应是必不可少的。

大多数情况下，此应用都有一个以电池储能为基础的备用电源。

然而电化学电池比含有其它成分的电池的寿命更短。

因此检测电池时间、监控电池状态的测定电池是必要的。

电池状态的知识通过利用电力管理（例如电荷法）为关闭控制回路提供了可能。

2、影响电池寿命的因素

一般来说电池老化参数就可以分为内部参数和外部参数。

内部参数描述由于生产厂家影响所致的所有零件的参数（如制造质量等）。

而外部参数描述运行中的老化程度。

典型外部参数包括操作温度、费用方法、维修、深放电保护和电力循环方式。

一个BMS系统不能影响内部参数，并且一些外部的固定参数由应用的类型所决定。

然而有一些外部参数能被控制在一个或多或少涉及BMS系统中（如充电方式、深放电保护）。

一种先进的BMS系统的目标是优化调整参数。

2.1温度

尤其是指高温和不同温度在降低电池寿命中的差异。

因此按钮系统的设计对电池寿命有一定的影响。

如果高强度电流的应用和封闭的热管理系统可以用来延长电池使用寿命。

2.2充电方式

众所周知,充电方式对电池寿命具有非常重要的影响。

对于铅酸电池来说，充电过度和充电不足都将降低电池的寿命。

最优的充电方式取决于电池的内部参数、电池温度和操作的历史。

2.3深放电保护

深放电,尤其是长时间以低SOC状态存放会降低电池寿命。

在大多数情况下,深放电保护仅仅基于保护电池电压（有时也可以为电流）。

然而,在小电流放电的情况下，这个方法不可能检测到重要的运行状态。

图1显示了在常温下极板电池的电压、放电电流和DOD之间的关系。

这个图表明,一种简单的电压阈值在切断点会导致非常不同的DOD值。

尤其在小电流放电的情况下，电池将过量放电从而导致损坏电池。

图1：

电池电压、发电电流与DOD的关系

2.4运行模式的影响

这种操作（电气循环机制）对电池的寿命也会产生影响。

下图显示了三个电池容量（铅酸型、开口型、管板型）在不同的测试体制中的变化。

图2：

不同运行模式下的电容和寿命

参考电池:

浮动电荷（2.25Vkell）

循环电池:

循环光伏电池

固定电池:

低（SOC）存储（30%）

3电池管理

3.1综述

提高电池的寿命需要对电池的外部参数进行管理。

这不仅对铅酸电池是重要的，还对先进的电池系统,如:

锂电池和高温电池来说也是重要的。

因此,电池管理系统（BMS）必须将电池技术的特殊要求也考虑进去。

将电压、电流、温度作为输入信号进行测量。

电池管理系统的功能可分为以下几个方面:

●数据采集

●电池状态检测

●电力管理

●热管理

●安全管理

●通信

图3是一个简化的BMS系统示意图。

图3：

电池管理系统的简单结构

在小型的电池中，上述功能可作为单个或者多个芯片的解决方案。

例如手机和手提电脑中的锂电池就是一个微型的安全管理系统。

在大型的电池管理系统中，电池管理系统更加复杂，并且需要根据不同的电池技术和应用设计电池管理系统。

3.2数据采集

BMS的所有算法使用测量和计算的数据作为输入信息。

因此准确性、采样率和前端过滤的特征都是很重要的，并且取决应用的类型。

UPS应用的一个关键的特点是通过单个电池/模块从而减少操作时间。

因此，模数或者电池电压的测量是十分重要的并且是UPS管理系统的一部分。

对于模数测量来说有两种不同的方式：

●在集中的测量系统中，测量单元存在于BMS系统中。

该项技术的优势特点是材料成本较低。

而这技术主要缺点是BMS系统的核心单位和电池（模块）之间的线路复杂。

●在分散的测量系统中，测量单元分散在电池/模块导向的单元中。

该单元通过一个数字通信总线与中心BMS系统进行通信，这样技术的主要优势是减少布线和扩大系统。

此外,分散性型的单元可以以最少的成本测量电池/模块的温度。

这些额外的信息提供了更好的可能性,但也使电池状态的计算变得更复杂。

分散型系统在大型的电池中能够提供更多的实惠。

图4：

集中性的数据采集

图5：

分散型的数据采集

在电气管理中，电池状态是用作输入参数。

此外它对于用户来说是一个十分重要的参数。

所以电池状态可以用来评估电池的嫁接时间或者预期寿命。

电池的状态可以用以下两个参数具体描述出来：

●电荷状态

●品质状态

这两个参数不是独立的并且会对电池性能产生影响（例如可用功率）。

两者的关系如图6所示。

图6：

SOC和SOH之间的关系图

在大多数情况下，系统芯片（SOC）检测电池容量时包括费用损失估计方法。

在SOH检测中，或多或少的都使用了好的工作方法。

这取决于电池技术和适用的应用类型。

图7显示的是用一种最优算法对SOC和SOH进行检测。

图7：

电池状态检测的自调整方式

3.3电气管理

在电气管理中，电流、电压、温度、SOC和SOH作为输入参数用来控制充电和放电过程。

以下的目标必须实现：

●控制充电过程：

等量充电和浮动充电

●控制放电过程

充电过程控制和放电限制在很大程度上依赖于所使用的电池技术和电池类型。

对不间断电源系统来说，电池的再充电必须适应自身的前几次放电、温度和电池的年龄。

快速充电与电池低龄的结合是主要的目标。

此外,控制浮动充电是很的重要的。

图8显示了一个电动汽车放电电流的限制。

在UPS应用中，放电只能由具有优先级控制切断功能的负载所控制。

图8：

电动汽车放电电流的限制功能

3.4安全和监督管理

安全管理具有保护电池反对批评性的使用条件的功用。

在电动车的BMS系统中,其安全性管理体系的任务是:

●避免深度放电

●避免单个电池的过度放电

●避免高温（热量散失）

●在事故中电池中断

●在安全管理中过高的电流和电压也应该被及时发现

3.5热管理

热管理对于大多数高电力应用和高温电池来说是必要的。

热管理系统的目标是均衡电池之间的温度、冷却电池和在某些情况下加热电池，例如高温电池。

因此需要使用液体或空气系统。

一个主要的问题是热量从电池内部转移到外部,因为电解质的热阻和塑料电池的外壳热阻是相当高的。

在UPS系统中，均衡电池之间的温度是热管理系统中最重要的功能。

在一个含有整流器、逆变器的封闭的单元中，电池中的温度梯度高是可能的。

在更大的，电池是没有安装在一起的不间断电源系统中热管理都是次要的。

关于甲醇燃料电池热管理的一些总结

燃料电池的特点是能量转化高，运行噪声小，无污染等。

由于它不受卡诺循环限制，不排放或极少及排放污染物，所以是一种高效、清洁的新型能源。

直接甲醇燃料电池是直接用甲醇作原料，无须中间重整或转化装置，因此具有体积小、重量轻，系统结构简单，燃料来源丰富，价格低廉，储存携带方便等优点，是目前各国政府优先发展的高新技术之一。

燃料电池热管理就是对电池内热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式进行研究，包括如何使电池内部产生的热量排到外部、保证在时间和空间上温度均匀分布，避免过热点的出现，并且为保证电池总效率高，须使冷却循环泵的功率损失最小化，即在增加热交换能力的同时使压力损失最小。

针对杨老师所讲的内容以及根据查找的一些文献和自己的理解，总结了一些关于甲醇燃料电池热管理方案的设计要求：

（1）控制温度范围。

甲醇燃料电池的工作温度范围较宽，从室温到200℃升高电池反应温度，有利于提高H2O在电极上吸附解离的速率。

但温度升高会使离子交换膜的稳定性降低。

因此，要使电堆能够高效、稳定运行，须将其工作温度控制在70~80℃之间。

（2）控制温度均匀水平。

电堆内部要求各部分温度基本一致，以保证其工作性能。

如为提高电堆内温度分布均匀，要求进出电堆的冷却水温差小于10℃，最好小于5℃。

（3）控制温度极限。

尽管当温度超过100℃时，甲醇以气体形式存在，可以减少甲醇的“渗溢”现象发生，但同时交换膜易出现微孔，使空气系统有氢气，从而导致严重的安全事故。

甲醇燃料电池由于使用液体甲醇做燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。