适用于锂离子、阀控密封铅酸、氢镍、银锌
动力蓄电池安全充电
综合管理系统
Battery Synthetical Management System
机械科学研究院北京机电研究所电动汽车电源技术中心： 钱良国 郝永超
北京理工大学机械与车辆工程学院电动车辆工程技术中心：孟祥峰 林成 王震波
摘 要：锂离子等新型动力蓄电池技术的快速发展，对充电技术研究和设备开发提出了全新的课题。机械科学研究院北京机电研究所电动汽车电源技术中心与北京理工大学机械与车辆工程学院电动车辆工程技术中心协作，改变了基于电池组端电压为充电控制量的传统充电装置的设计思想，采用基于极端单体电池的安全充电技术，开发成功了自蓄电池诞生以来第一套不存在单体电池过充电问题的动力蓄电池安全充电综合管理系统（BSMS）。BSMS由公共充电机GC、蓄电池检测系统BMS、蓄电池监测和质量评估系统BMQES、充电监控系统CCS组成，是目前国内外第一套适应锂离子、阀控密封铅酸、氢镍、银锌等多种动力电池特点的，可用于建设公共充电站的高安全性充电系统。面向工程应用领域的蓄电池组的质量评估系统为动力蓄电池的性能评估、选型和维护提供了科学的技术手段。
关键词：安全充电 蓄电池综合管理系统 锂离子电池 充电站
Abstract：The development of new-style power battery such as Li+ battery bring new problem for charge technology and equipment. ELECTIC VEHICLE POWER SUPPLY TECHNOLOGY of BEIJING RESEARCH INSTITUTE OF MECHANICAL & ELECTRICAL TECHNOLOGY belonged to Academy of Machinery Science and Technology gave up the overall-voltage-control design idea , and using the excessive cell as the control condition instead. The first set of Battery Synthetical Management System without over-charge since the battery has been invented was developed. BSMS compose of General Charger、Battery Measurement System、Battery Monitor & Quality Evaluation System and Charge Control System, it is the first System fit for Li+, VRLA, MH-Ni, Zn-Ag battery and so on .BSMS can be used to make up the public charge station.
Key words: safe charge BSMS Li+ battery charge station
在国家“863”计划的支持下，锂离子、镍氢等新型动力蓄电池技术得到快速发展。由于蓄电池单体性能的不一致性的存在，以蓄电池组端电压为基本控制参数的传统充电技术在充电过程中必然发生部分电池单体严重过充电问题，这是影响新型动力蓄电池充电安全的首要问题。传统的充电控制方法已不能适应锂离子等新型电池的特点，已经成为制约新型电池推广应用的突出问题。研究适应锂离子、镍氢等新型动力蓄电池特点的充电技术和新型充电装置，是推进锂离子、氢镍等新型动力蓄电池产业化进程的关键之一。
机械科学研究院北京机电研究所电动汽车电源技术中心与北京理工大学机械与车辆工程学院电动车辆工程技术中心通力合作，在国家十五“863”电动汽车重大专项和北京科技奥运电动公交车项目的支持下，集成和优化长期从事蓄电池应用技术研究成果，改变了基于电池组端电压为控制量的传统充电控制模式，研究成功了基于极端单体电池的安全充电控制技术，开发成功了由公共充电机（General Charger）、充电机监控系统(Charger Control System)、蓄电池检测系统（Battery Measurement system）、蓄电池监测和质量评估系统（Battery Monitor and Quality evaluation system）组成的，自蓄电池诞生以来第一套不存在单体电池过充电问题的，适用于锂离子动力蓄电池、氢镍动力蓄电池、阀控密封铅酸蓄电池、银锌蓄电池等多种电池的安全充电要求的动力蓄电池安全充电综合管理系统（Battery Synthetical Management System）。
一 、基于极端单体电池的安全充电技术
动力蓄电池一般是由若干个电池单元串联成蓄电池组使用。串联电池组在充电和放电过程中的端电压为各蓄电池单元电压之和，即：
充电状态电池组端电压
放电状态电池组端电压 
式中：VdO 单池单元电动势；
IF 、IC 放电电流和充电电流；
Rd 电池单元的内阻；
fT 温度修正系数；
fC 实际容量修正系数；
电池组中各电池单元内阻（Rd）和实际容量不一致,影响到电池单体运行过程中温度也存在差异，导致电池单元电压不一致。
图1是由108只锂离子电池串联电池组在充放电电流为零时的电压值。图2是该电池组在250A放电（行驶）时单体电池的电压。图3 是该电池组在充电过程中电池单体的电压状况。从图1，图2和图3可以看出，在充电和放电情况下，电池单体电压受内阻等因素的影响是很大的。从安全角度考虑，我们采用普通铅酸蓄电池进行了试验:由22只6Q150电池串联成标称电压为264V电池组，采用单只充电电压14.40V,最高充电电压为316.8V进行恒压限流充电。当充电电压为316.80V,充电电流下降到22.4A时各电池单电压见图4.图中中间水平线为14.4V.
图4可以看出，虽然电池组端电压被限制到316.80V范围内，但由于电池不一致性问题的存在，当充电电流下降到22.4A时,超过14.40V的电池已达到8只,占电池数量的33.4%。电池组相对极差达到5.6%，即810mV；相对标准偏差1.33%。其中一只电池端电压（极端电池）达到14.83V，超过额定电压0.43V。
图5是充电过程中电池不一致性变化趋势，上面的曲线是电池组相对极差，下面的曲线是相对标准偏差。从图5可以看出，相对极差和相对标准偏差随充电的进行而增大，且增大趋势随充电的进行，越来越快。到充电后期会造成部分电池严重过电压。
单体电池充电过程中过电压，对于富液类普通铅酸类电池，虽不会发生严重不安全问题，但会对电池造成严重损害电池性能，缩短电池使用寿命。对于贫液类阀控密封铅酸类电池，单体电池的严重过电压，会造成蓄电池性能的严重损害，加速电池性能衰退而早期损坏。对于锂离子等新型动力蓄电池，充电过程中单体电池的过电压不仅会严重损害电池性能，而且会造成电池爆裂、燃烧等恶性事故。
防止充电过程中单体电池过电压，是提高锂离子等新型动力蓄电池充电安全的关键措施之一。只有解决了充电过程中单体电池过电压问题，锂离子等新型电池充电安全才能得到保障，其推广应用和产业化才有可能，否则将始终徘徊在试验、示范运行阶段。
防止锂离子等新型动力蓄电池组中单体电池过充电问题的有效途径是采用基于极端单体电池安全充电控制技术。
基于极端单体电池安全充电控制技术的概念是：改变由蓄电池组端电压为基本控制参数的传统充电控制技术和充电装置设计路线，以蓄电池组中极端单体电池，即充电电压最高、或温升最大、或温度最高、或待充容量最少的电池单元为关注重点，根据不同的电池类型，按不同的优先级序列，将充电过程中电池组的极端单体电池的主要参数控制在充电规程之内为控制目标的充电控制技术和充电装置设计思想。
基于极端单体电池安全充电技术根据不同的电池类型遵循以下不同优先级原则制定控制策略：
锂离子类电池充电控制优先级（电压优先控制模式）：
单体电池看门狗 （最高优先级）
最高单体电池端电压；
最高单体电池温度
电池组端电压
充电电流（最低优先级）
氢镍和镍镉类电池（温控优先型）：
单体电池看门狗 （最高优先级）
最大单体电池温度上升率
单体电池端电压－dv/dt
最高单体电池温度
最高单体电压
电池组端电压
充电电流（最低优先级）
铅酸类电池（电压优先型）：
单体电池看门狗 （最高优先级）
最高单体电池端电压
最高单体电池温度
电池组端电压
充电电流（最低优先级）
根据优先级顺序，可分为电压优先和温控优先两个类型。电压优先型适用于充电过程中电池电压与温度之间的关系为正、零或极小负增量变化，如锂离子电池、阀控密封铅酸类电池等。温控优先型适用于充电过程中电池电压与温度之间存在较大负增量关系的电池，典型的如氢镍类、镍铬类蓄电池。
基于极端单体电池充电控制模式的核心是将关注重点由蓄电池组端电压转移到极端单体电池单元，这是一个十分重要的设计理念和设计路线的根本转变，这个转变将彻底改变充电设备的传统设计思想，形成具有鲜明特色的新一代充电装置，将深刻影响到锂离子等新型动力电池综合管理系统的研发方向。
由GC、CCS、BMS、和BMQES组成的动力蓄电池安全充电综合管理系统（BSMS）的研制成功，将有力推动锂离子等新型动力蓄电池的产业化进程。
二、 BSMS的系统构建
BSMS的系统构建见图6，主要由公共充电机GC、充电监控系统CCS、蓄电池检测系统BMS和蓄电池监测和质量评估系统（BMQES）四个子网络系统构成。
BMS控制器、采集卡和BMS显示器通过波特率为125KB/S的DeviceNet总线组成蓄电池检测系统（BMS）。该检测系统由同步数字采样和电池单元电压看门狗两套系统。双系统的设计可确保充电过程的电池安全。在BMS控制器内还集成了充电控制模块。
由BMS控制器的充电控制模块与充电机内的充电控制接口，通过250KB/S的DeviceNet总线组成充电控制系统。充电控制系统通过共享BMS的数据资源实现基于极端单体电池安全充电的充电控制模式（BMS-MODE）。充电控制系统也是由CAN总线传递的数字信息和通过充电引导线传递的控制信息组成。BMS-MODE模式是BSMS的标准充电模式。
由充电机内的充电监控模块、网络电源和CCS监控计算机，通过125KB/S的DeviceNet总线组成的充电监控系统（CCS）最多可接入和监测62个机位。
通过桥接器、总线电源和BMQES监控计算机，通过125KB/S的DeviceNet总线组成蓄电池监测系统（BMQES）最多可以接入和监测62个电池组（或电动汽车）。
在BMQES内还集成了蓄电池质量评估系统，统计和预测蓄电池组性能发展趋势，并对蓄电池组的使用提出维护建议。
鉴于该系统仅实现了蓄电池的充电部分的综合管理，放电部分虽然留有接口，但必须与放电系统组成了能够实施放电管理，实现了对蓄电池的充电电流、充电电压、放电电流、放电电压和温度的有效管理，才能称为蓄电池管理系统。鉴于上述认识，本系统定义为“动力蓄电池安全充电综合管理系统”。
当前普遍提及和使用的动力蓄电池管理系统就其功能而言只是实现了蓄电池参数的采集，实质上只能称为蓄电池检测系统，即BMS（Battery Measurement System）。
三、蓄电池监测和质量评估系统
蓄电池监测和质量评估系统由采集卡、BMS控制器、桥接器、BMS显示器和监测PC机通过DeviceNet总线连接组成（见图6）。采集卡由若干个隔离度为1000V的12Bit，采样速度为200Kb/S的电压采样通道（当前有8、10、12通道3种），若干个（当前有8、10、12个3种）电压个看门狗，一个隔离度为1000V的1-Wire总线接口（用于连接1-Wire接口温度传感器）和一个125Kb/S CAN接口组成。在BMS控制器的控制下，可实现电压、温度的同步采样。每只电池的看门狗实时电压监测电路，通过BMS充电控制接口电路直接与充电设备连接。采集卡用3000V高隔离度DC/DC由DC24V提供电源，使高压系统与控制电源之间达到4000V的高隔离度。
BMS控制器主要包括以下主要模块：
1、 采集卡同步采样控制模块、数据接口和看门狗接口，完成对采集卡的控制和数据采集。接口采用DeviceNet总线和协议，通讯速率为125Kb/S。
2、 充电控制模块由数据处理和充电控制接口组成。充电控制接口由充电控制和蓄电池监测两条DeviceNet总线接口、充电引导线和控制电源（24V/20A）组成。
充电引导线采用高、中、低、零电平与充电装置交换信息。并具BMS通过充电引导线实时关闭充电装置的控制功能。
与外部设备（如电动汽车整车控制器）进行数据交换与充电控制接口的充电控制总线共用一个接口。当电动车与充电设备连接后，自动关闭与整车控制器的通讯连接，建立与充电设备的通讯连接。当充电设备没有与充电控制接口连接时，即中断与充电设备的通讯，建立与整车控制器的通讯连接。
3、 数据存储模块是为保存用于蓄电池质量评估系统对蓄电池质量分析的数据设置的。
蓄电池质量评估是十分复杂的工作，其中最关键的是数据采集和数据筛选，它们将直接影响到分析结果的可靠性。BMQES系统使用的数据是通过严格筛选后的特殊数据，该数据难以通过定时采样取得。为此，BMS系统专门设计了用于BMQES使用的条件数据自动采集筛选系统。当车辆行使过程中遇到符合条件的数据即时自动将该数据记录在由FLASH组成的数据存储器中。该数据存储器可以保存120个充放电循环中的条件数据文件。通过BMQES可自动读取该文件，并按数据存储时间自动生成若干文件。
4、实时数据处理模块将采集卡采集的数据进行分析处理，为充电装置和整车控制器提供数据。
5、BMS控制内还有一个自动永久时钟、一个电压采样通道和一个电流采样通道（12Bit /200KB/S）。
桥接器的功能是蓄电池检测网络与蓄电池监测网络的总线隔离。通过桥接器，蓄电池监测系统可以连接多达62个蓄电池系统（电动汽车）。并利用BMQES对连接的蓄电池系统进行实时采样和实施质量分析。BMQES的主要操作界面见图7。
工程应用中，如电动汽车运营中的蓄电池性能分析和质量评估是十分复杂，技术要求很高的工作。当前面向工程应用的蓄电池实时性能分析和质量评估技术手段还是一个需要探索和迫切解决的问题。利用我们长期从事蓄电池应用技术研究的经验开发成功了蓄电池质量评估系统，与蓄电池监测系统集成，开发成功了动力蓄电池实时监测和质量评估系统（BMQES）。图8是质量分析和维护建议界面。
BMQES质量分析的目标是面向动力蓄电池组的整体一致性分析，不是针对单只电池的。采用对电动汽车实际应用起主要作用的，关键特征参数指标对电池组进行分析。其中的关键指标采用相对百分数，使分析结果具有良好的可比性；对不同电池组的横向质量评估和同一电池组寿命期内的纵向质量评估直观有效。
利用BMQES的趋势分析功能可对一个充电过程或放电过程的特性进行变化趋势分析（见图7），专门设计了电池组寿命期内性能变化趋势的分析（见图9）。利用趋势分析可以直观地分析电池组使用过程中性能发展趋势。
采用相临的充电和放电过程中的特定条件下采集的两组数据组对电池特性分析和提出的的维护建议有效解决了蓄电池质量分析和维护工作中长期存在的难题，结论准确、可靠，为正确维护电池提供了科学建议，可大大提供电池维护的合理性和科学性，对于提高蓄电池组的性能。尤其是提高一致性和寿命具有非常明显的效果。
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（更多详细内容及图片请见第五届中国国际电源产业论坛论文集，谢谢！）
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