健康状况
电池健康状态通常需要知道两点,一是电池充电状况(SOC),这表示目前电池的充电比率,完全充饱的电池的充电状况为100%。在电池使用后或是长时间放置后都会造成电池的开路电压下降,因此充电状况的百分比数值也会跟着下降。此外,电池健康状况(SOH)则是衡量电池的起使电流输出能力的指标,全新的电池可以达到100%的SOH电池健康状况。
电池的容量不仅取决于其电压和电流曲线,还取决于其年龄和工作温度。SOH测量根据其使用历史,可告诉我们电池的使用年限和预期寿命周期。通过这种方式,我们可以知道EV的里程数(完全充电后覆盖的距离)会随着电池老化而减少多少,并且我们也可以知道何时应该更换电池组。
电池平衡
BMS的另一个重要功能是维持电池间的平衡。例如,在一组串联连接的4个电池中,所有四个电池的电压应始终相等。如果一个电池比另一个电池的电压低或高,它将影响整个电池组,例如一个电池处于3.5V而另外三个电池处于4V。在充电期间,这三个电池将达到4.2V而另一个电池刚刚达到3.7V。相同的,该电池将是第一个放电至3V的电池。这样一来,由于该单电池的状况不同,电池组中的所有其他电池将不能用于其最大电位,进而影响效率。
为了解决这个问题,BMS必须实现一种称为单元平衡的方法。有许多类型的电池平衡技术,但常用的是主动与被动型的电池平衡。在被动平衡中,其想法是具有过电压的电池将透过类似电阻器的负载强制放电,以达到其他电池的电压值。至于主动平衡期间,较强的电池将用于给较弱的电池充电,以使其电位均衡。
热控制
锂电池组的寿命和效率有很大程度取决于工作温度。与正常室温下相比,电池在炎热气候时放电更快。除此之外,高电流的消耗将进一步增加温度。这需要电池组中的热系统(主要是油)来加以调控。这种热系统主要作用在于降低温度,但如果需要,也应该能够在寒冷气候下提高温度。BMS负责测量每个电池温度,并相对应地控制热系统以维持电池组的整体温度。
更低的系统功耗
即使汽车正在运行中、充电中或处于待机模式,BMS也应处于活动状态并持续运行。这样的状况使得BMS电路必须被连续供电,因此BMS系统必须消耗非常少的功率,才不会耗费太多电力。当EV未充电数周或数月时,BMS和其他电路往往会自行耗尽电池,最终需要在下次使用前进行重新充电。这样的问题即使在特斯拉这种知名车款上,仍然很常见。
电流隔离
BMS身为电池组和EV的引擎控制器(ECU)之间的桥梁,必须将BMS收集的所有信息发送到ECU,以显示在仪表板上或仪表板上。因此,BMS和ECU应该透过CAN,或LIN总线等标准协议来持续进行通讯。BMS设计也必须能够在电池组和ECU之间提供电流隔离。
数据记录
由于BMS必须存储大量数据,因此拥有更大的记忆库非常重要。只有在知道电池的充电历史时,才能计算出电池的健康状态。因此,BMS必须从安装之日起,就追踪电池组的充电周期和充电时间,这将有助于为工程师提供售后服务或分析EV的充电问题。
精确度
当电池充电或放电时,电压会逐渐增加或减少。不幸的是,锂电池的放电曲线(电压对比时间)具有平坦区域,因此电压的变化非常小,必须准确测量此变化。设计良好的BMS可以具有达到±0.2mV的精度,最小精度至少需要1~2mV。而通常在此过程中会使用16位元ADC。
结语
值得注意的是,电动汽车逐渐朝向简单化设计,其结果将能驱动各不同面向的成本降低,一个明显的例子就是电池本身。较小的电池意味着更轻的汽车重量,这将使得汽车底盘、制动器、充电技术、电机功率等的额外成本获得节省。小容量的电动汽车将有助于降低充电技术的电力耗损,并且更容易平衡充电需求。搭配更有效率的BMS系统,将能让电动车上路行驶更加安全。