BMS專題之動力電池組

一、前言

將自己準備的培訓課程寫成博客供大家閱讀，首先是第一節，電池組
今天我要跟大家分享的是BMS相關的知識，算是帶着大家對BMS及其測試進行一個初步的瞭解和認識，
會給大家分享關於動力電池的一些東西，然後講講爲什麼需要BMS，之後呢就是從BMS的分類和功能方面進行一個介紹，講講BMS的測試的必要性，最後就是給大家介紹一個關於BMS的測試系統。

二、 聊聊電動車

首先跟大家聊聊電動汽車。
我們通常說的公認的現代汽車被髮明的時間爲1886年，由德國人卡爾·本茨正式申請了三輪汽車的專利。我們汽車所用的內燃機也基本上被認爲是在19世紀八十年代左右被投入使用。
但是電動汽車呢？我們一般認爲電動汽車是一個新時代的產物。
但是其實，電動汽車在內燃機投入使用之前，就已經出現了，大概早在1834年，比內燃機汽車出現早了大概50年，就出現了第一輛電動三輪車，只不過這個電動三輪車的電池是一次性的，沒錯，用的是乾電池，只能跑一趟的那種；但是隨後，在1859年法國人普蘭特發明了鉛酸電池，到了1881年，仍然比1886年第一臺內燃機車要早幾年，就有法國工程師將鉛酸電池用到了三輪汽車上，可以說是電動汽車的原型了。
可以說電動汽車的起源並不比內燃機汽車晚，甚至還早不少，但是爲什麼電動汽車到了近十幾年才火熱呢？其實原因無外乎就是環境問題和電池的發展，一方面內燃機對環境的污染較大，現在的pm2.5受到廣泛的關注，另一方面電池經過這麼多年的發展，技術成熟了很多，已經有了一戰之力，因此才能在幾年內迅速發展。

接下來，我們就先簡單聊一下汽車的動力電池。

三、 動力電池

根據電池的發展，我們說以下的幾種電池比較適合用到汽車上。分別是鉛酸電池，鎳氫電池和鋰離子電池。我相信大家日常生活中對這幾種電池都有着大量的接觸。

3.1 鉛酸電池

第一個是鉛酸電池，鉛酸電池我們講到是1859年由法國人發明的，可以說是歷史悠久。

它的特點是

• 電壓穩定，放電曲線中間的一大部分都比較平緩
• 價格便宜，就是正因爲這樣，他的應用極爲廣泛，領域包括了比如說：
  交通領域中的牽引車，助力車，叉車，汽車，電動自行車的電池，
  電力領域中的不間斷電源（UPS），電力電源，後備電源，
  軍事，航天，航空等等，可以說是全世界適用範圍最爲廣泛的化學電池產品；

不過他也存在着一些無法避免的缺陷：

• 首先是能量密度低，這個也是最致命的，這個電池非常的重，最直觀的體現就是汽車上的電瓶和我們電瓶車的電瓶，尤其是電瓶車，有時候一個人提不動，但是也就只能維持電瓶車走三四十公里的樣子。
• 其次是使用壽命短，基本上中等程度的使用頻率是兩到三年一換。
• 而且維護比較頻繁，以前的鉛酸電池需要經常加電解液，所以需要經常打開電池進行維護，現在經過多代的技術迭代，很多的不足都已經有了提升，但是因爲其天生的缺陷，顯然不太適合用作電動汽車的動力電池，畢竟，鋪一整個底盤的鉛塊加硫酸會讓車達到一個相當發恐怖的重量，既不利於安全，也不利於節能。

3.2 鎳氫電池

在鎳氫電池出現之前，鎳鎘電池其實已經開始大範圍的應用了，但是早期的鎳鎘電池有着很嚴重的記憶效應，循環壽命也短，而且因爲鎘是重金屬，所以會對環境帶來嚴重的破壞。我們早期的對於充電電池的刻板映像就是來源於此，比如說要深充深放來儘量避免記憶效應，電池污染很嚴重等等。
之後經過了改進，使用金屬的氫化物代替了含有重金屬鎘的負極，成了鎳氫電池。

他的優勢：

• 能量密度較高，他的能量密度是鎳鎘電池的兩倍。
• 環保，比鎳鎘電池更輕頁更加環保，
• 記憶效應較小。

所以在20世紀90年代開始迅速發展，全面的用在各種領域，筆記本的電池，數碼相機的電池，等等。
在汽車領域，也有好多的純電動車和混動車都用了鎳氫電池作爲動力電池，據我所知豐田的普銳斯是第一個使用鎳氫電池的電動汽車，其他的例如本田，福特，雪佛蘭等等在他們的混動或者純電動汽車上都有使用鎳氫電池作爲動力電池。
這裏我爲什麼沒有寫他的劣勢，因爲它其實沒有讓人難以忍受的缺點，都是小毛病，都能忍。比鉛酸電池強太多了。

3.3 鋰離子電池

其實到現在爲止，我們覺得鎳氫電池已經很好了，但是啊，凡事都有但是，正所謂長江後浪推前浪，鎳氫電池做夢也沒有想到，鋰電池的發展會這麼快。
自己纔剛剛火了沒多久，正吃着火鍋唱着歌，欸，剛打了個盹，就已經被送入了歷史博物館。隨着鋰離子電池的發展，在各個領域，鎳氫電池被全面吊打。

說到鋰離子電池的優點，那可以說在一衆電池中一枝獨秀。

• 首先，鋰離子電池的單體電壓高，單體的工作電壓可以達到3.7-3.8V的樣子。

• 其次是壽命長，這個壽命指兩方面，一方面是指日曆壽命，另一方面是指循環壽命，鋰離子電池在這兩方面的變現非常出色，尤其是循環壽命，我們說一般來說是循環500次左右，但是現在也有循環1000次甚至是2000次往上的，而且這個循環次數不是充電次數，而實完全充放一次電纔算是一次，這也是鋰離子電池的第三個特點：

• 沒有記憶效應，我們可以隨用隨充，不用說是必須深充深放。

• 鋰離子電池的另外一個特性是自放電小，一般來說在室溫下，充滿電的鋰離子電池儲存一個月後的自放電率爲2%左右，這個是個什麼概念呢？鎳鎘電池一個月後的自放電率爲25%-30%，鎳錳電池爲30%-35%，也就是說基本上不用擔心充好電了放一段時間用又得重新充電這種煩惱。

• 還有很多好處，比如說內阻小，可以快速充電，轉化率高等等。

那麼，說了這麼多好處，難道鋰離子電池就沒有什麼不足嗎？當然不是，我們說事物總是存在兩面性，啥都好的東西基本上不存在，鋰電池的限制主要有以下的幾個方面：

• 不耐受過充。因爲鋰離子電池的原理是鋰離子在正負極之間往返嵌入和脫嵌，才形成了電流，如果過充了，那麼有一部分鋰離子就會永久的固定在晶格中，無法再釋放，然後這個過程就會迅速的發熱損毀，嚴重的時候就會爆炸。

• 不耐受過放，過充不行，過放也不行，過度放電的時候，電極會脫嵌過多的鋰離子，就是失去過多的鋰離子，會導致晶格坍塌，也會極大的縮短電池壽命。

• 有這兩點也就算了，關鍵它還有一個缺陷，就是安全運行區比較小。這個是什麼意思呢，給大家看一張圖。
  這是一種磷酸鐵鋰單體電池的安全工作區域簡圖，
  
  可以看到充電的時候電壓不能高過3.65V，放電的時候電壓不能低於2.5V，這只是其中一種電池，不代表所有的，現在隨着技術的進步，各個廠家也在努力的拓寬這個範圍。

很窄的安全工作區域再加上超出安全區域後嚴重的後果，什麼？你說嚴重後果是啥？看這個

這該怎麼辦呢？鋰電池這麼優秀的電池，難道我們就放棄嗎？
當然不會，不然今天我寫啥，是吧。

我來自內蒙，這個放在我們草原上來說就是一匹很難馴服的野馬，性能很好但是脾氣很烈，那麼就需要最有經驗的騎手來駕馭它，這個騎手是誰呢？就是我們的BMS

四、電池組

剛剛我們一直在說的是單體電池，通俗的來說就是一節電池，我們知道一個單體電池的電壓差不多就是三點幾伏，這顯然無法驅動一臺汽車的，那麼怎麼辦呢？很簡單，多加幾節電池嘛
所以我們會有單體電池組成電池組，然後電池組組成電池包，電池包再組成電池板最終安插到汽車上。

那麼電池組合的方式，也就是串聯和並聯。
我們知道在工業生產中，很難有完全一致的東西，總會有誤差產生，這個對於單體電池也存在，就是單體電池的體質，在理想情況下，每一節電池的內阻，儲能，電壓等等是完全一致的，比如說我們使用四個單體電池串聯來提高整體的電壓。

在理想情況下是這樣的：
充電的時候，如左一
單個電池的充電電壓是4.2V，所以四節就是16.8V，那我充電器提供16.8V的電壓，就認爲是合適的，如果每個電池都是完全一樣的，那麼就會每個平均到4.2V，實現完美的充電。
放電也是一個道理，如左二，
四節電池的理想放電電壓是12V，那麼就是每個電池都爲3v的放電電壓。這樣就很完美了，萬事大吉。

但是，又一個但是啊，理想很豐滿，現實很骨感，我們都知道在現實中想要完全一致的東西有多難，因爲每個電池都是獨一無二的靚仔，就像我們大家一樣，有的人跑得快，有的人聰明，還有人說話超好聽。對於電池呢，可能有的內阻稍微大一點，有的電壓稍微高一點，他是不均衡的。
所以現實中就會出現這樣的問題：
在充電過程中，如右一，因爲大家的電壓不均衡，所以有的電池很快就會充滿，一旦充滿電，那麼這個電池就不能像其他電池一樣吸收電流了，電壓就會繼續迅速上升，我們可以看到怕其中的一個已經上升到6.3V了，已經超過了安全電壓開始迅速發熱，但是其他的電池還沒充滿，如果繼續充下去，那麼可能會引起起火甚至爆炸，如果停止充電，那麼其實好多電池還沒充滿。
放電過程也是這樣，如右二，因爲不均衡，可能有一個電池放電會特別快，先於其他幾個電池到達放電下限，如果這個時候繼續放電，那麼會嚴重影響電池的壽命，如果停止放電，那其他的幾個電池裏的剩餘電量就會浪費掉。

以上的例子說明了，因爲電池存在差異化，就是不均衡，以及鋰離子電池較窄的安全工作區間和超出安全區間較大的危險性，想要以整體的電壓或者是電流來判斷充放電的時機，是完全行不通的。

這個時候，就需要有人來對充放電進行管理，最好精確到每一個單體電池，這個是啥呢？答案就是BMS。

五、SOC不均衡

在這裏給大家介紹一下SOC這個概念。
所謂SOC，是一個百分數，就是一個比值，而且是一個狀態量，我們說某一時刻下的SOC，說的就是某一時刻下可用的電荷量和充滿電的狀態下可用電荷量的一個比值，需要注意的是，SOC分爲總的SOC以及每一個單體電池的SOC，總的SOC其實跟我們汽車的油量表很像，就是代表還剩下多少能量。下面我們以SOC爲例，來說說電池組中存在的不均衡現象。

5.1 時變不一致性

所謂的時變不一致，就是說SOC隨着時間的變化出現不一致。

大家看這個圖，這個圖是四個理想的單體電池，X周表示自然時間，Y周表示各個單體電池的SOC，Z軸表示4個單體電池
這是最理想的狀態，每個電池的SOC是一樣的，然後SOC呢也不跟着時間的變化而變化。但是大家也知道，這是不可能的。

還有另外的一種理想模型:

這個呢是沒有剛剛那麼理想的電池，SOC會隨着時間的變化逐漸減小，但是理想的情況是初始SOC相等，並且同速率的減小，這樣的電池對我們來說也比較友好，但是，又一個但是，這也是不可能的
真實的情況是什麼樣的呢？

這是一個較爲貼近實際的情況，每個單體電池的自放電特性並不相同，導致擱置一段時間之後，電池組中每一個單體電池的SOC的不一致:

這纔是更加實際情況，實際情況下很難給每一節電池都充滿電，並且每個單體電池的自放電特性並不相同，導致初始值和變化率都不相同。

5.2 單體與總體不一致性

還是這四個電池，我們換一個維度來看，直接把圖貼到一起：

剛剛我們說的是SOC隨着時間變化的不一致性，接下來我們展示一下總SOC和單體電池SOC的關係。

• 首先是最理想的狀態（左上），就是當整體SOC是100%的時候每個單體電池的SOC也是100%，就是整體電池充滿電的時候每一節電池都充滿電了，這個說明每一節電池的體質完全一樣。但是在實際中這個是不可能的，實際中我們的電池體質或多或少都會有差異，所以在沒有專門的去幹預的情況下不可能出現這麼一致的情況，可能有的放電快，有的放電慢，那這個時候我們爲了解決這種情況，會簡單的人爲的干預一下，就是把所有的單體電池都均衡與某一個點，可用理解爲在某一個點那所有的電池的電量對齊。

• 右上就是均衡於100%，就是當所有的電池都充滿的時候，我們認爲這個是一個對齊點，這個時候開始放電，看到每個電池的電量和電池的總電量都在減小，但是放電效率不同，所以有快有慢，當最快的那個單體電池到達下限的時候，整個電池組就應該停止放電，不然就會損壞這個單體，我們可用看到其他的單體電池裏還有剩餘電量，但是此時整個電池組的SOC已經歸零，剩餘的電量無法利用。

• 同理，我們不知可用均衡於100%這個點，也可以均衡於50%（左下）或者0%（右下）這個點，一個是在50%的地方對齊，一個是在0%的地方對齊。

但是我們發現不管這種均衡於哪個點，都無法完全利用所有電池的電量。
當然，這個是均衡過後的情況，其實相對來說已經是很好的了。
那麼我們爲什麼要做均衡呢？

這是一般來說實際上的不均衡的情況，可以看到基本上整個電池包的能量只能達到均衡之後電池包的一半，因爲個別電池到達了整個電池包充放電的上限導致了整個電池包的充放電停止，那麼整個電池包的容量就會大減。
再極端一點呢？就會出現這種情況

整個電池包可用容量變得非常小。

聽到這裏，也許大家的心理應該是這個表情

想用個電池怎麼就這麼難呢？

那我們有什麼解決方法呢？答案是——BMS

我們下一篇文章介紹什麼是BMS，敬請期待