摘 要： 電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)是電動車輛的技術(shù)核心，而精確的電池模型是實現(xiàn)BMS的關(guān)鍵。電池模型的精度與材料、環(huán)境溫度、工作模式、老化程度等密切相關(guān)，而在建模時完整地包含上述因素是非常困難的。本文在簡單介紹BMS功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對近幾年鋰離子電池建模文獻的整理，著重介紹了電學特性模型、熱模型及電-熱耦合模型的建模方法。由于電-熱模型綜合了其他兩種方法的優(yōu)點，模型相對簡單且在實際中使用較多。在此基礎(chǔ)上闡述了三種模型在電池內(nèi)部狀態(tài)如電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)、電池健康狀態(tài)(state of health, SOH)、溫度等參數(shù)估計中的應用。特別是SOH的狀態(tài)估計，除受電流、溫度、SOC等因素影響外，還與機械振動及過電勢等密切相關(guān)。考慮到狀態(tài)估計變量之間的相互耦合如電池的SOC、內(nèi)部溫度等，故需進一步提高耦合參數(shù)的估計精度以確保BMS工作的可靠性。在未來，還需要繼續(xù)對模型進行降階，以實現(xiàn)BMS工作的實時性。
關(guān)鍵詞： 鋰電池；電池管理系統(tǒng)；建模方法
近年來，新能源汽車得到了普遍的認可和廣泛的使用。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國新能源汽車產(chǎn)量達124.2萬輛，其中純電動汽車102萬輛，插電式混合動力汽車23.2萬輛；預計到2020年底，我國新能源汽車保有量將達585.27萬輛。2019年全年，我國動力電池裝機量高達62.38 GW·h，主要為三元鋰電池及磷酸鐵鋰電池。鋰電池作為當前新能源汽車的主要能量源，擁有低污染、高能量密度、高功率密度及長循環(huán)壽命等優(yōu)勢。但由于電動汽車的使用工況復雜多變，容易造成鋰電池組過流、過壓、過充及過放等問題。這將會降低車輛續(xù)駛里程和加速電池老化，造成動力電池組過熱甚至出現(xiàn)燃燒或爆炸等惡性事故。因此，有效的電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)是電動車輛安全、高效運行的關(guān)鍵。
電池管理系統(tǒng)通過監(jiān)測電池組運行中電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)，對電池內(nèi)部狀態(tài)進行估計，最終實現(xiàn)充放電控制、熱管理及故障診斷等功能。因此，精確、高效的電池模型對于電池管理系統(tǒng)的功能實現(xiàn)極其重要。本文面向電池管理系統(tǒng)，針對電動汽車鋰電池建模方法展開綜述，重點描述適用于電池管理系統(tǒng)的鋰電池建模方法及模型應用。
1 電池管理系統(tǒng)介紹
1.1 電池管理系統(tǒng)基本功能
受鋰電池的能量密度所限，目前電動汽車行駛時的能量由數(shù)百節(jié)單體電池組成的電池組提供，電動汽車都需配備電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是：保障電池組在適宜工作條件下高效運行，從電池系統(tǒng)的安全性、耐久性及動力性三方面發(fā)揮作用。其主要功能如下。
（1）參數(shù)監(jiān)測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、絕緣監(jiān)測及碰撞監(jiān)測等。
（2）狀態(tài)估計。包括荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)、健康狀態(tài)(state of health，SOH)及故障安全狀態(tài)(state of safety，SOS)等。
（3）充電控制。根據(jù)監(jiān)測值及估計值，對電池充電電壓、電流進行管理，避免過充、過放及過熱等問題。
（4）電池均衡。根據(jù)電池信息，采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式，減小電池組的不一致性。
（5）熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度信息及充放電需求，決定主動加熱或散熱的時機和強度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能。
（6）網(wǎng)絡(luò)通信。與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行通信，實現(xiàn)在線標定、監(jiān)控、自動代碼生成和程序下載等功能。
（7）數(shù)據(jù)存儲。存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析、標定及算法改進。
1.2 電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有分散式結(jié)構(gòu)及模組式結(jié)構(gòu)。分散式結(jié)構(gòu)中各電池單體均配有監(jiān)控模塊，其結(jié)構(gòu)簡單且能及時掌握各單體電池的狀態(tài)，安全性較高；但其模塊較多，容易引起數(shù)據(jù)丟失等問題，系統(tǒng)效率及穩(wěn)定性較差。模組式結(jié)構(gòu)將電池組分解為多個模組，并由主控單元對各電池模組分別監(jiān)控、管理。該結(jié)構(gòu)采集精度高、可靠性好且拓展性強，適用于電動汽車等電池數(shù)量較多的電池系統(tǒng)。
模組式電池管理系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，電池組的電壓、電流及表面溫度可以被直接測量，但電池組內(nèi)部狀態(tài)，如SOC、SOH及內(nèi)部溫度等重要參數(shù)不能直接測得，需要電池管理系統(tǒng)通過電池模型對電池內(nèi)部狀態(tài)進行估計，進而完成對電池組的控制。因此，建立恰當?shù)碾姵啬Ｐ蛯﹄姵毓芾硐到y(tǒng)運行的效率、精度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。
圖1 電池管理系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)
2 鋰電池建模方法
根據(jù)模型中參數(shù)處理方法的不同，鋰電池模型主要分為電學特性模型、熱模型及電-熱耦合模型。
2.1 電學特性模型
電學特性模型主要分為電化學模型、等效電路模型及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型。電化學模型基于電池內(nèi)部電化學反應機理，對電池內(nèi)部狀態(tài)(鋰離子濃度、電解液電勢、電流分布等)做出準確預測。國內(nèi)外有大量電化學模型用于研究相關(guān)反應機理及鋰電池的優(yōu)化設(shè)計，但此類模型參數(shù)較多且計算量大，難以應用在電池管理系統(tǒng)中。適當簡化的降階電化學模型在電池管理中得到了廣泛的研究。Zou等建立了磷酸鐵鋰電池的降階電化學模型，用于預測不同條件下鋰電池的荷電狀態(tài)。Li等提出一種考慮液相擴散、反應極化和歐姆極化的簡化電化學模型，并實現(xiàn)了鋰電池SOC的準確估計。
等效電路模型使用電壓源、電阻及電容等組成電路，用來模擬鋰電池的動態(tài)特性。典型的等效電路模型框架如圖2所示。
圖2 典型等效電路模型
相對于電化學模型，等效電路模型結(jié)構(gòu)簡單且參數(shù)較少，方便用于系統(tǒng)的實時控制。常見的等效電路模型包括Rint模型、一階電阻電容(RC)模型和二階RC模型等。研究表明，一階RC及二階RC模型應用較廣泛，而更高階的模型的適用性有所降低?？紤]到電池內(nèi)部離子擴散為非線性過程，分數(shù)階等效電路模型也被用于描述鋰電池的特性。鄒淵等建立了分數(shù)階阻抗模型，并使用粒子群優(yōu)化算法識別了模型參數(shù)；魯偉等以18650型鋰電池為對象，建立了分數(shù)階阻抗模型，并使用分數(shù)階卡爾曼濾波器實現(xiàn)了鋰電池荷電狀態(tài)的估算。
鋰電池是一個非線性、時變的動態(tài)系統(tǒng)?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的模型使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機及高斯過程回歸等方法，通過大量數(shù)據(jù)建立起鋰電池輸入信號與響應的關(guān)系。張彩萍等建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路模型，對電池的電學特性進行獲取。孫培坤建立了基于高斯過程回歸的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，對鋰電池的健康狀態(tài)進行了準確預測。Wang等利用支持向量回歸算法建立非線性電池模型，該模型在FUDS測試數(shù)據(jù)中的最大相對電壓誤差為3.61%。
2.2 熱模型
研究表明，鋰電池工作的適宜溫度區(qū)間為20～50 ℃；當工作溫度超過40 ℃后，溫度每上升10 ℃，電池壽命將降低至原來的1/2。若溫度繼續(xù)上升，則可能引起熱失控。因此，建立精確的熱模型并對電池組進行有效的熱管理至關(guān)重要。常見的鋰電池熱模型主要分為均勻參數(shù)熱模型和分布參數(shù)熱模型。
均勻參數(shù)熱模型假設(shè)電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，將鋰電池整體或其內(nèi)部某區(qū)域視為均勻熱源。其生熱量計算通?；贐ernardi等提出的電池內(nèi)部均勻發(fā)熱模型，常規(guī)充放電條件下生熱速率為
(1)
式中，q為電池生熱速率；I為充放電電流；V為電池生熱域的體積；Uoc為開路電壓；U為電池工作電壓；T為電池溫度；?Uoc/?T為電池開路電壓受溫度影響的系數(shù)。
在此模型基礎(chǔ)上，許多研究人員對電池熱量生成、積累、傳導和對流進行解釋，并對電池單體及模組的熱行為進行模擬、預測及管理。雷治國等以35 A·h方形錳酸鋰電池為對象，對電池充放電生熱特性進行建模仿真和試驗，結(jié)果表明隨著放電電流增大，電池溫升快速提高，可在低溫環(huán)境下利用電池放電生熱以改善電池性能。Gümüssu等針對松下18650B型鋰電池建立了三維CFD模型，在假設(shè)電池為均勻熱源的情況下研究了電池在自然對流狀態(tài)下的生熱及對流換熱問題。張彩萍等假設(shè)電池表面溫度分布均勻，使用平均電容作為計算參數(shù)，提出一種改進的生熱模型并將其應用于電動汽車快充策略優(yōu)化，使充電時間縮短50%。均勻參數(shù)熱模型因忽略電池內(nèi)部溫度分布，多用于小型電池低倍率充放電工況及實際工程。
分布參數(shù)熱模型認為電池內(nèi)部產(chǎn)熱不均勻，依據(jù)電池內(nèi)部電流密度與溫度的關(guān)系計算電池溫度分布?；陔娏髅芏鹊纳鸁崧蕅、電流密度J的計算方法如式(2)、式(3)所示。
(2)
(3)
式中，φs、φe分別為固相以及液相中的電勢；σeff為固相顆粒的電導率；keff為電化學反應速率常數(shù)；kDeff為液相離子電導率；ce為電解質(zhì)濃度；cs,max為固相中插入的鋰離子最大濃度；cs,surf為固相表面的鋰離子濃度；F為法拉第常數(shù)；R為氣體常數(shù)；η為電化學反應超電勢。
此類模型能較為精確地反映電池內(nèi)部的溫度分布，以指導電池的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計。Kim等應用有限元方法對VK公司的10 A·h方包鋰電池進行簡化建模，分析了不同電池結(jié)構(gòu)(電極長寬比、集流片位置)和放電倍率下電流密度和溫度分布，并通過紅外成像試驗驗證了模型的正確性。部分商業(yè)軟件也針對電池熱模型開發(fā)了應用包，但這類軟件因耦合多個復雜的偏微分方程，對計算能力有較高的要求而難以在電池管理系統(tǒng)中應用。為此，一些降階分布參數(shù)熱模型被用于高效計算和熱管理控制。Hu等基于計算流體力學提出一種降階狀態(tài)空間模型，在保證計算量較小的同時能提供與CFD模型相近的結(jié)果。Richardson等提出了一種考慮瞬態(tài)生熱、各向異性熱傳導及非均勻?qū)α鬟吔鐥l件的低階二維熱模型，通過與有限元計算結(jié)果的比較，驗證了模型的計算效率及精度。
2.3 電-熱耦合模型
鋰電池的電學效應與熱特性通過發(fā)熱量形成強耦合。電池溫度直接影響電學特性模型的重要參數(shù)(如內(nèi)阻、電壓等)，而這些參數(shù)同時也影響電池的發(fā)熱量，其電熱耦合關(guān)系如圖3所示。
圖3 電熱耦合關(guān)系
為同時精確獲得電池的電效應(例如電流、電壓和SOC)和熱特性(例如溫度分布)，學者們建立了一系列電熱耦合模型。常見的電熱耦合模型可分為電化學-熱耦合模型及電-熱耦合模型。
電化學熱耦合模型考慮了電芯內(nèi)部的電極反應、離子傳輸、固相擴散、電荷傳遞以及熱能守恒，能夠精確反映電池內(nèi)部電化學反應過程。Xu等建立了三維電化學-熱耦合模型，對不同放電倍率下電池的溫度分布進行仿真，發(fā)現(xiàn)極耳的分布會影響電池的電壓和局部反應速率，且靠近極耳處電池溫度較高。Alipour等建立了一種多層三維電熱耦合模型用于電池溫度分布預測，仿真結(jié)果表明相對于單層模型，多層模型能更準確地描述鋰電池的熱行為。盡管這類模型精度較高，但模型由多個偏微分方程組成，因其較大的計算量并不適用于當前電池管理系統(tǒng)的實時控制。
電-熱耦合模型從宏觀角度考慮電流、輸出電壓及電池生熱的相互作用，將等效電路模型與熱模型耦合。此類模型復雜程度相對較低，在工程實踐方面有較多的應用。Lin等針對圓柱形鋰電池建立了三維電-熱耦合模型，該模型能夠高效獲取電池各工況下的荷電狀態(tài)、端電壓、表面溫度及核心溫度。Basu等建立了一個三維電-熱耦合模型，分析了放電電流及冷卻液流速對電池溫度的影響。李軍求等建立了車用動力電池的電-熱耦合模型，分析并證明了基于PTC加熱和強制風冷的電池管理系統(tǒng)能有效進行熱管理。
3 鋰電池模型在BMS中的應用
由于鋰電池的內(nèi)部參數(shù)不能直接測量，只能借助于相關(guān)的算法對其內(nèi)部狀態(tài)(SOC、SOH及內(nèi)部溫度等)進行估計。對于電池組而言，電池單體的不一致性加劇了BMS管理的難度。因此，前述鋰電池的電學特性模型、熱模型及電-熱耦合模型的魯棒性對于BMS精準管理具有重要意義。
3.1 SOC估計
鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC)通常是指在相同情況下，電池當前剩余容量占額定容量的百分比。精確的SOC估計能提高電池管理系統(tǒng)的控制效率，進而提升車輛的續(xù)駛里程。目前，對SOC的研究已較為成熟，常用的方法可分為直接評估法和基于模型的方法。
直接評估法基于對電流及電壓的直接測量，又分為安時積分法及開路電壓法。安時法的計算公式如下：
(4)
式中，SOC0為初始的荷電狀態(tài)；η為庫侖效率；i(t)為放電電流。由于安時積分法高度依賴起始狀態(tài)SOC0及荷電狀態(tài)誤差累積效應，開路電壓法因需要充分靜置以達到平衡電動勢耗時較長等問題，均未能有效應用于電池管理系統(tǒng)。因此，基于模型的SOC估計方法在電池管理系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應用。
基于模型的SOC估計方法實時估計電池的開路電壓(open circuit voltage，OCV)，再根據(jù)電池OCV與SOC的對應關(guān)系來預測電池的SOC。Wang等基于等效電路和電化學效應的組合模型對電池的開路電壓進行估計，使用擴展卡爾曼濾波(EKF)及粒子濾波(PF)提高了SOC估計的可靠性和魯棒性。Ren等建立了包含3組RC電路的等效電路模型，并結(jié)合無跡卡爾曼濾波(UKF)算法對電池SOC進行估計，在計算成本和SOC估計精度上取得了較好的平衡。
3.2 SOH估計
鋰電池的健康狀態(tài)(SOH)是表征鋰電池性能狀態(tài)的重要指標，也是BMS重要的監(jiān)測任務(wù)之一。其一般描述公式為
(5)
式中，SOH(t0)為電池初始的健康狀態(tài)；δfunc為電池老化率函數(shù)(取決于電流、溫度、SOC等因素)；others為其他因素如機械振動和過電勢等。目前，對鋰電池SOH的評判指標主要有最大可用容量及電池內(nèi)阻，估計方法主要有實驗法、模型法、數(shù)據(jù)驅(qū)動法及融合法。
使用模型法對鋰電池SOH進行估計，首先將電池最大可用容量或電池內(nèi)阻作為可變的參數(shù)建立等效電路模型或電化學模型，并引入粒子濾波、卡爾曼濾波等方法估計電池容量或內(nèi)阻，經(jīng)計算得出鋰電池的健康狀態(tài)。Zhang等基于二階RC等效電路，使用改進的粒子濾波算法對鋰電池進行SOH估計。Remmlinger等提出了一種基于模型的混合動力汽車用大功率鋰電池內(nèi)阻相關(guān)健康狀態(tài)監(jiān)測方法，結(jié)果表明該方法能通過車輛正常行駛時的測量信號進行電池SOH估計。
3.3 內(nèi)部溫度估計
動力電池組溫度對于電池容量、放電效率、循環(huán)壽命及安全性均有重要影響，因此也是BMS監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。通過儀器可以直接測量電池表面的溫度，為避免儀器侵入電池內(nèi)部造成電解液的泄漏，故只能使用熱模型進行估計。準確的內(nèi)部溫度估計是BMS對電池組進行加溫、散熱等控制的主要判斷依據(jù)。
Kim等基于降階的分布參數(shù)模型，使用卡爾曼濾波器與擴展卡爾曼濾波器相結(jié)合的方法對電池系統(tǒng)對流系數(shù)進行辨識和內(nèi)部溫度估計。Lin等針對22650型鋰電池，設(shè)計了一種基于在線參數(shù)化方法和表面溫度測量的在線參數(shù)辨識方案對電池內(nèi)部溫度進行估計。劉光明等用Fluent軟件建立了三維熱模型后得到了一個電池產(chǎn)熱功率關(guān)于電池內(nèi)外溫差的函數(shù)，通過產(chǎn)熱功率和電池表面溫度估計其內(nèi)部的溫度，表明了具有在BMS中應用的潛力。圖4為電池內(nèi)部溫度的估計流程。
圖4 電池內(nèi)部溫度估計流程
4 結(jié) 語
本文簡要介紹了車用動力電池管理系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)。模組式電池管理系統(tǒng)因其采集精度高、可靠性好且拓展性強等優(yōu)點，在車輛電池系統(tǒng)發(fā)揮著巨大作用。對適用于電池管理系統(tǒng)的鋰電池建模方法進行梳理，表明降階的電化學模型、等效電路模型、集中參數(shù)熱模型、簡化的分布參數(shù)熱模型及部分電-熱耦合模型能有效的應用于電池管理系統(tǒng)。對基于電池管理系統(tǒng)的建模方法在鋰電池SOC估計、SOH估計及內(nèi)部溫度估計的應用進行了總結(jié)。
引用本文： 梁新成,張 勉,黃國鈞.基于BMS的鋰離子電池建模方法綜述[J].儲能科學與技術(shù),2020,09(06):1933-1939.
LIANG Xincheng,ZHANG Mian,HUANG Guojun.Review on lithium-ion battery modeling methods based on BMS[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1933-1939.
第一作者及聯(lián)系人：梁新成（1978—），男，博士，研究方向為汽車系統(tǒng)動力學及鋰電池的建模與控制，E-mail：dylb1978@126.com。
