BMS专题之动力电池组

一、前言

将自己准备的培训课程写成博客供大家阅读，首先是第一节，电池组
今天我要跟大家分享的是BMS相关的知识，算是带着大家对BMS及其测试进行一个初步的了解和认识，
会给大家分享关于动力电池的一些东西，然后讲讲为什么需要BMS，之后呢就是从BMS的分类和功能方面进行一个介绍，讲讲BMS的测试的必要性，最后就是给大家介绍一个关于BMS的测试系统。

二、 聊聊电动车

首先跟大家聊聊电动汽车。
我们通常说的公认的现代汽车被发明的时间为1886年，由德国人卡尔·本茨正式申请了三轮汽车的专利。我们汽车所用的内燃机也基本上被认为是在19世纪八十年代左右被投入使用。
但是电动汽车呢？我们一般认为电动汽车是一个新时代的产物。
但是其实，电动汽车在内燃机投入使用之前，就已经出现了，大概早在1834年，比内燃机汽车出现早了大概50年，就出现了第一辆电动三轮车，只不过这个电动三轮车的电池是一次性的，没错，用的是干电池，只能跑一趟的那种；但是随后，在1859年法国人普兰特发明了铅酸电池，到了1881年，仍然比1886年第一台内燃机车要早几年，就有法国工程师将铅酸电池用到了三轮汽车上，可以说是电动汽车的原型了。
可以说电动汽车的起源并不比内燃机汽车晚，甚至还早不少，但是为什么电动汽车到了近十几年才火热呢？其实原因无外乎就是环境问题和电池的发展，一方面内燃机对环境的污染较大，现在的pm2.5受到广泛的关注，另一方面电池经过这么多年的发展，技术成熟了很多，已经有了一战之力，因此才能在几年内迅速发展。

接下来，我们就先简单聊一下汽车的动力电池。

三、 动力电池

根据电池的发展，我们说以下的几种电池比较适合用到汽车上。分别是铅酸电池，镍氢电池和锂离子电池。我相信大家日常生活中对这几种电池都有着大量的接触。

3.1 铅酸电池

第一个是铅酸电池，铅酸电池我们讲到是1859年由法国人发明的，可以说是历史悠久。

它的特点是

• 电压稳定，放电曲线中间的一大部分都比较平缓
• 价格便宜，就是正因为这样，他的应用极为广泛，领域包括了比如说：
  交通领域中的牵引车，助力车，叉车，汽车，电动自行车的电池，
  电力领域中的不间断电源（UPS），电力电源，后备电源，
  军事，航天，航空等等，可以说是全世界适用范围最为广泛的化学电池产品；

不过他也存在着一些无法避免的缺陷：

• 首先是能量密度低，这个也是最致命的，这个电池非常的重，最直观的体现就是汽车上的电瓶和我们电瓶车的电瓶，尤其是电瓶车，有时候一个人提不动，但是也就只能维持电瓶车走三四十公里的样子。
• 其次是使用寿命短，基本上中等程度的使用频率是两到三年一换。
• 而且维护比较频繁，以前的铅酸电池需要经常加电解液，所以需要经常打开电池进行维护，现在经过多代的技术迭代，很多的不足都已经有了提升，但是因为其天生的缺陷，显然不太适合用作电动汽车的动力电池，毕竟，铺一整个底盘的铅块加硫酸会让车达到一个相当发恐怖的重量，既不利于安全，也不利于节能。

3.2 镍氢电池

在镍氢电池出现之前，镍镉电池其实已经开始大范围的应用了，但是早期的镍镉电池有着很严重的记忆效应，循环寿命也短，而且因为镉是重金属，所以会对环境带来严重的破坏。我们早期的对于充电电池的刻板映像就是来源于此，比如说要深充深放来尽量避免记忆效应，电池污染很严重等等。
之后经过了改进，使用金属的氢化物代替了含有重金属镉的负极，成了镍氢电池。

他的优势：

• 能量密度较高，他的能量密度是镍镉电池的两倍。
• 环保，比镍镉电池更轻页更加环保，
• 记忆效应较小。

所以在20世纪90年代开始迅速发展，全面的用在各种领域，笔记本的电池，数码相机的电池，等等。
在汽车领域，也有好多的纯电动车和混动车都用了镍氢电池作为动力电池，据我所知丰田的普锐斯是第一个使用镍氢电池的电动汽车，其他的例如本田，福特，雪佛兰等等在他们的混动或者纯电动汽车上都有使用镍氢电池作为动力电池。
这里我为什么没有写他的劣势，因为它其实没有让人难以忍受的缺点，都是小毛病，都能忍。比铅酸电池强太多了。

3.3 锂离子电池

其实到现在为止，我们觉得镍氢电池已经很好了，但是啊，凡事都有但是，正所谓长江后浪推前浪，镍氢电池做梦也没有想到，锂电池的发展会这么快。
自己才刚刚火了没多久，正吃着火锅唱着歌，欸，刚打了个盹，就已经被送入了历史博物馆。随着锂离子电池的发展，在各个领域，镍氢电池被全面吊打。

说到锂离子电池的优点，那可以说在一众电池中一枝独秀。

• 首先，锂离子电池的单体电压高，单体的工作电压可以达到3.7-3.8V的样子。

• 其次是寿命长，这个寿命指两方面，一方面是指日历寿命，另一方面是指循环寿命，锂离子电池在这两方面的变现非常出色，尤其是循环寿命，我们说一般来说是循环500次左右，但是现在也有循环1000次甚至是2000次往上的，而且这个循环次数不是充电次数，而实完全充放一次电才算是一次，这也是锂离子电池的第三个特点：

• 没有记忆效应，我们可以随用随充，不用说是必须深充深放。

• 锂离子电池的另外一个特性是自放电小，一般来说在室温下，充满电的锂离子电池储存一个月后的自放电率为2%左右，这个是个什么概念呢？镍镉电池一个月后的自放电率为25%-30%，镍锰电池为30%-35%，也就是说基本上不用担心充好电了放一段时间用又得重新充电这种烦恼。

• 还有很多好处，比如说内阻小，可以快速充电，转化率高等等。

那么，说了这么多好处，难道锂离子电池就没有什么不足吗？当然不是，我们说事物总是存在两面性，啥都好的东西基本上不存在，锂电池的限制主要有以下的几个方面：

• 不耐受过充。因为锂离子电池的原理是锂离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌，才形成了电流，如果过充了，那么有一部分锂离子就会永久的固定在晶格中，无法再释放，然后这个过程就会迅速的发热损毁，严重的时候就会爆炸。

• 不耐受过放，过充不行，过放也不行，过度放电的时候，电极会脱嵌过多的锂离子，就是失去过多的锂离子，会导致晶格坍塌，也会极大的缩短电池寿命。

• 有这两点也就算了，关键它还有一个缺陷，就是安全运行区比较小。这个是什么意思呢，给大家看一张图。
  这是一种磷酸铁锂单体电池的安全工作区域简图，
  
  可以看到充电的时候电压不能高过3.65V，放电的时候电压不能低于2.5V，这只是其中一种电池，不代表所有的，现在随着技术的进步，各个厂家也在努力的拓宽这个范围。

很窄的安全工作区域再加上超出安全区域后严重的后果，什么？你说严重后果是啥？看这个

这该怎么办呢？锂电池这么优秀的电池，难道我们就放弃吗？
当然不会，不然今天我写啥，是吧。

我来自内蒙，这个放在我们草原上来说就是一匹很难驯服的野马，性能很好但是脾气很烈，那么就需要最有经验的骑手来驾驭它，这个骑手是谁呢？就是我们的BMS

四、电池组

刚刚我们一直在说的是单体电池，通俗的来说就是一节电池，我们知道一个单体电池的电压差不多就是三点几伏，这显然无法驱动一台汽车的，那么怎么办呢？很简单，多加几节电池嘛
所以我们会有单体电池组成电池组，然后电池组组成电池包，电池包再组成电池板最终安插到汽车上。

那么电池组合的方式，也就是串联和并联。
我们知道在工业生产中，很难有完全一致的东西，总会有误差产生，这个对于单体电池也存在，就是单体电池的体质，在理想情况下，每一节电池的内阻，储能，电压等等是完全一致的，比如说我们使用四个单体电池串联来提高整体的电压。

在理想情况下是这样的：
充电的时候，如左一
单个电池的充电电压是4.2V，所以四节就是16.8V，那我充电器提供16.8V的电压，就认为是合适的，如果每个电池都是完全一样的，那么就会每个平均到4.2V，实现完美的充电。
放电也是一个道理，如左二，
四节电池的理想放电电压是12V，那么就是每个电池都为3v的放电电压。这样就很完美了，万事大吉。

但是，又一个但是啊，理想很丰满，现实很骨感，我们都知道在现实中想要完全一致的东西有多难，因为每个电池都是独一无二的靓仔，就像我们大家一样，有的人跑得快，有的人聪明，还有人说话超好听。对于电池呢，可能有的内阻稍微大一点，有的电压稍微高一点，他是不均衡的。
所以现实中就会出现这样的问题：
在充电过程中，如右一，因为大家的电压不均衡，所以有的电池很快就会充满，一旦充满电，那么这个电池就不能像其他电池一样吸收电流了，电压就会继续迅速上升，我们可以看到怕其中的一个已经上升到6.3V了，已经超过了安全电压开始迅速发热，但是其他的电池还没充满，如果继续充下去，那么可能会引起起火甚至爆炸，如果停止充电，那么其实好多电池还没充满。
放电过程也是这样，如右二，因为不均衡，可能有一个电池放电会特别快，先于其他几个电池到达放电下限，如果这个时候继续放电，那么会严重影响电池的寿命，如果停止放电，那其他的几个电池里的剩余电量就会浪费掉。

以上的例子说明了，因为电池存在差异化，就是不均衡，以及锂离子电池较窄的安全工作区间和超出安全区间较大的危险性，想要以整体的电压或者是电流来判断充放电的时机，是完全行不通的。

这个时候，就需要有人来对充放电进行管理，最好精确到每一个单体电池，这个是啥呢？答案就是BMS。

五、SOC不均衡

在这里给大家介绍一下SOC这个概念。
所谓SOC，是一个百分数，就是一个比值，而且是一个状态量，我们说某一时刻下的SOC，说的就是某一时刻下可用的电荷量和充满电的状态下可用电荷量的一个比值，需要注意的是，SOC分为总的SOC以及每一个单体电池的SOC，总的SOC其实跟我们汽车的油量表很像，就是代表还剩下多少能量。下面我们以SOC为例，来说说电池组中存在的不均衡现象。

5.1 时变不一致性

所谓的时变不一致，就是说SOC随着时间的变化出现不一致。

大家看这个图，这个图是四个理想的单体电池，X周表示自然时间，Y周表示各个单体电池的SOC，Z轴表示4个单体电池
这是最理想的状态，每个电池的SOC是一样的，然后SOC呢也不跟着时间的变化而变化。但是大家也知道，这是不可能的。

还有另外的一种理想模型:

这个呢是没有刚刚那么理想的电池，SOC会随着时间的变化逐渐减小，但是理想的情况是初始SOC相等，并且同速率的减小，这样的电池对我们来说也比较友好，但是，又一个但是，这也是不可能的
真实的情况是什么样的呢？

这是一个较为贴近实际的情况，每个单体电池的自放电特性并不相同，导致搁置一段时间之后，电池组中每一个单体电池的SOC的不一致:

这才是更加实际情况，实际情况下很难给每一节电池都充满电，并且每个单体电池的自放电特性并不相同，导致初始值和变化率都不相同。

5.2 单体与总体不一致性

还是这四个电池，我们换一个维度来看，直接把图贴到一起：

刚刚我们说的是SOC随着时间变化的不一致性，接下来我们展示一下总SOC和单体电池SOC的关系。

• 首先是最理想的状态（左上），就是当整体SOC是100%的时候每个单体电池的SOC也是100%，就是整体电池充满电的时候每一节电池都充满电了，这个说明每一节电池的体质完全一样。但是在实际中这个是不可能的，实际中我们的电池体质或多或少都会有差异，所以在没有专门的去干预的情况下不可能出现这么一致的情况，可能有的放电快，有的放电慢，那这个时候我们为了解决这种情况，会简单的人为的干预一下，就是把所有的单体电池都均衡与某一个点，可用理解为在某一个点那所有的电池的电量对齐。

• 右上就是均衡于100%，就是当所有的电池都充满的时候，我们认为这个是一个对齐点，这个时候开始放电，看到每个电池的电量和电池的总电量都在减小，但是放电效率不同，所以有快有慢，当最快的那个单体电池到达下限的时候，整个电池组就应该停止放电，不然就会损坏这个单体，我们可用看到其他的单体电池里还有剩余电量，但是此时整个电池组的SOC已经归零，剩余的电量无法利用。

• 同理，我们不知可用均衡于100%这个点，也可以均衡于50%（左下）或者0%（右下）这个点，一个是在50%的地方对齐，一个是在0%的地方对齐。

但是我们发现不管这种均衡于哪个点，都无法完全利用所有电池的电量。
当然，这个是均衡过后的情况，其实相对来说已经是很好的了。
那么我们为什么要做均衡呢？

这是一般来说实际上的不均衡的情况，可以看到基本上整个电池包的能量只能达到均衡之后电池包的一半，因为个别电池到达了整个电池包充放电的上限导致了整个电池包的充放电停止，那么整个电池包的容量就会大减。
再极端一点呢？就会出现这种情况

整个电池包可用容量变得非常小。

听到这里，也许大家的心理应该是这个表情

想用个电池怎么就这么难呢？

那我们有什么解决方法呢？答案是——BMS

我们下一篇文章介绍什么是BMS，敬请期待