1、国际电气工程先进技术译丛大规模锂离子电池管理系统Battery Management Systems for LargeLithium Ion Battery Packs美 达维德安德里亚（Davide Andrea）著 李建林 李 蓓 房 凯 许守平 谢志佳 惠 东译机 械 工 业 出 版 社 本书主要介绍大规模锂离子电池组的电力电子和控制系统等相关内容，并不涉及电池化学原理方面的知识。针对大规模锂离子电池管理系统的技术、功能、拓扑、商业可行性、电子电路以及算法进行了专业深入的探究，并介绍了电池管理系统的部署问题。在当前储能技术大力发展的背景下，这本适时出版的图书描述了本领域中重要的技术挑战
2、，并探索了应对挑战的最有效的解决方法。本书通过列举大量的图形、图像和表格深入地阐述了为什么以及如何对锂离子电池管理系统进行设计、安装、配置和故障排除。这份实用资源对当下可用的规模化的电池管理系统进行了公正的描述和比较。此外，本书还针对在限定的功能要求下如何选择正确的电池管理系统保证锂离子电池组运行低消耗、少用时进行了描述。译 者 的 话 锂离子电池储能系统是众多电化学储能系统中发展最快、最为成熟的一种，兆瓦级和百兆瓦级储能电站逐步成为热点，实际工程中需要数以万计的单体电池通过串并组合，因此对其进行能量管理和热管理就变得尤为重要。本书对锂离子电池管理系统的结构、功能以及商业模式等进行了逐一介绍。
3、首先，介绍了锂离子电池组和电池管理系统，并由此提出为锂离子电池组配备电池管理系统的必要性；其次，针对大规模锂离子电池管理系统的技术、功能、拓扑、商业可行性、电子电路以及算法进行了探讨和介绍；最后，针对大规模锂离子电池管理系统的部署问题进行了介绍。本书既适合作为广大读者的科普读物，又适用于高等院校的教材。本书得到了国家电网公司科技项目（KYSG2016204JLDKY）和中国电力科学研究院专著出版基金的大力资助，在此深表谢意。中国电力科学研究院的修晓青、马会萌、靳文涛、杨水丽、徐少华等同志在本书的翻译过程中提供了诸多帮助并提出了宝贵意见，机械工业出版社的付承桂和诸多同志也为出版本书付出了辛勤的劳
4、动，在此表示诚挚的感谢。锂离子电池管理系统涉及多学科、多领域的专业知识，尽管译者竭力求实，但受到水平和专业领域所限，本书难免存在错误和不妥之处，恳请读者不吝赐正。译 者于中国电力科学研究院原 书 前 言 在撰写本书时，锂离子电池（LiIon）已经成为消费类产品（例如手机或笔记本电脑）所用小型电池的主要选择，并且在汽车牵引和陆基分布式储能等大型电池应用中，也逐渐呈现出取代铅酸电池和镍氢电池的趋势。仅当管理得当时，锂离子电池才能够表现出比其他化学电池更加优良的特性，因此，锂离子电池需要配备有效的电池管理系统（BMS）。本书旨在协助工程师或项目管理者对大容量锂离子电池组进行选择、规定、设计、部署和应
5、用的工作。在过去的六年中，我开发了数个大型锂离子电池组用电池管理系统，积累了对这些系统需求、挑战和解决方法的见解，并通过讲演、出版白皮书和答疑等多种方式分享了我所了解的知识。我希望能够通过本书以一种更加系统和更加综合的方式与大家分享有关大型锂离子电池组管理系统的相关知识。由于我对于本领域的认识和了解并不是十分全面，因此书中的一些表述难免有不妥之处。对此，我表示诚挚的歉意，并希望读者能够通过网站（http：/book.LiIonBMS.com）联系指正，以便于在勘误表和网站上做出澄清和回应。本书主要关于电力电子和控制系统等相关内容，并不涉及化学原理方面的知识。在本书中，电池被看作是黑盒子，仅针对
6、其对外等效电路进行介绍。总体而言，本书适合对物理和技术具有一定理解基础的人阅读。本书的第 5 章则为对于电力电子和软件算法具有一定基础的读者编写。全书共分为6 章，从基础概念开始，然后逐步延伸到更深层、更实用的细节。第 1 章介绍了锂离子电池和电池管理系统的概念，并阐述了开发锂离子电池管理系统的必要性。第 2 章论述了电池管理系统的分类方法：按功能分类、按技术方法以及按拓扑分类。第 3 章讲解了电池管理系统可具备的功能。第 4 章探究了商用电池管理系统方案。第 5 章深入探究了电池管理系统的电子电路以及算法（如果需要设计定制的电池管理系统）。第 6 章介绍了锂离子电池管理系统发布的全过程。Da
7、vide Andrea目录译者的话原书前言第 1 章 概述1 1.1 命名规则1 1.1.1 单体电池、电池和电池组1 1.1.2 电阻1 1.2 锂离子单体电池1 1.2.1 形状2 1.2.2 化学过程3 1.2.3 安全性4 1.2.4 安全运行区6 1.2.5 效率6 1.2.6 老化8 1.2.7 建模10 1.2.8 串联组串中的均压问题13 1.3 锂离子电池管理系统15 1.3.1 电池管理系统定义15 1.3.2 锂离子电池管理系统的功能16 1.3.3 电池管理系统选型16 1.4 锂离子电池19 1.4.1 荷电状态（SOC）、放电深度（DOD）和容量19 1.4.2 一
8、致性及均衡23 1.4.3 健康状态33 参考文献35第 2 章 电池管理系统分类36 2.1 按功能分类36 2.1.1 恒流恒压充电器36 2.1.2 分流器38 2.1.3 监测器39 2.1.4 监控器40 2.1.5 均衡器41 2.1.6 保护器42 2.1.7 功能对比42 2.2 按技术分类43 2.2.1 简单系统（模拟系统）43 2.2.2 复杂系统（数字系统）44 2.2.3 技术对比44 2.3 按拓扑分类45 2.3.1 集中式45 2.3.2 模块式45 2.3.3 主从式46 2.3.4 分布式47 2.3.5 拓扑对比49第 3 章 BMS 功能50 3.1 测
9、量50 3.1.1 电压50 3.1.2 温度53 3.1.3 电流53 3.2 管理56 3.2.1 保护56 3.2.2 热管理61 3.2.3 平衡62 3.2.4 再分配82 3.2.5 分布式充电84 3.3 评价85 3.3.1 荷电状态和放电深度85 3.3.2 容量91 3.3.3 电阻92 3.3.4 健康状态（SOH）93 3.4 外部通信94 3.4.1 专用模拟线路94 3.4.2 专用数字线路95 3.4.3 数据连接98 3.5 登录和遥测100 参考文献100第 4 章 市售电池管理系统101 4.1 引言101大规模锂离子电池管理系统 4.1.1 简单系统101
10、 4.1.2 复杂系统105 4.1.3 单体电池制造商的电池管理系统111 4.1.4 对比112第 5 章 定制型 BMS 设计114 5.1 BMS 专用集成电路114 5.1.1 BMS 专用集成电路的选择114 5.1.2 BMS 专用集成电路的比较117 5.2 模拟 BMS 设计118 5.2.1 模拟调节器118 5.2.2 模拟监控器120 5.2.3 模拟均衡器131 5.2.4 模拟保护器138 5.3 现有的数字 BMS 设计138 5.3.1 ATMEL 公司生产的 BMS 处理器139 5.3.2 Elithion 公司生产的 BMS 芯片集140 5.3.3 Na
11、tional Semiconductors 公司生产的成套 BMS141 5.3.4 Peter Perkins 生产的开源 BMS142 5.3.5 德州仪器公司生产的 bq29330/bq20z90143 5.3.6 德州仪器生产的 bq78PL114/bq76PL102146 5.4 定制型数字 BMS 设计147 5.4.1 电压及温度测量148 5.4.2 电流测量171 5.4.3 评估功能176 5.4.4 通信191 5.4.5 优化202 5.4.6 开关216 5.4.7 日志记录220 5.5 电池接口221 5.5.1 非分布式221 5.5.2 分布式222 5.6
12、分布式充电228第 6 章 BMS 的设计231 6.1 安装231 6.1.1 电池组设计231 6.1.2 BMS 与电池组的连接244目 录 6.1.3 BMS 与系统连接247 6.2 配置253 6.2.1 单体电池配置253 6.2.2 电池组配置253 6.2.3 系统配置253 6.3 测试255 6.4 故障排除256 6.4.1 接地256 6.4.2 屏蔽256 6.4.3 过滤256 6.4.4 电线布置256 6.4.5 非计划断路256 6.5 应用257 参考文献257符号及缩略语258术语260大规模锂离子电池管理系统第 1 章概述1.1 命名规则1.1.1 单
13、体电池、电池和电池组在对电池组的各个组成部分的命名上存在着一些混淆，这或许是因为当我们提到“电池”时其实是指碱性单体电池，而往往忽略了汽车启动电池是由 6 个单体电池组合而成。在本书中，我们对各组成部分的命名约定如下：单体电池（cell）：电池最基础的组成元素（就锂离子单体电池而言其能提供 3 4V 电压）。电池块（block）：由一系列单体电池并联组成，提供 3 4V 的电压。电池（battery）：由一系列单体电池或电池块串联组成的独立的物理模块，可以提供更高的电压水平（例如，一个由 4 个单体电池串联组成的电池块正常工作时可以提供 12V 电压）。电池组（pack）：由许多电池通过串联或
14、并联组成的电池集合。1.1.2 电阻单体电池生产商通常在电池的参数表中列出的阻抗参数通常为交流阻抗（详见 1.2.7 节）。但是电池使用者需要知道的是，直流阻抗并非交流阻抗，因为电池正常工作时内部流动的是直流电流。因此，在本书中，所有的阻抗均特指单体电池或者电池的内部直流电阻。1.2 锂离子单体电池可充电锂离子单体电池在现有市售电池中具有最高的能量密度，并且功率密度也很高。锂离子单体电池凭借着其近乎卓越的性能（见图 1.1）已经成为如笔记本电脑和手机这样的消费类电子产品的首选。与此同时，锂离子单体电池也快速成为牵引类交通工具动力源的理想选择。图 1.1 世界上最快的电动摩托 KillaCycl
15、e 烧胎1.2.1 形状锂离子单体电池一般具有 4 种基本形状（见图 1.2 和表 1.1）：圆柱形（分为大、小两种）、棱柱形和袋形。图 1.2 锂离子单体电池形状：大、小圆柱形，棱柱形和袋形这些锂离子单体电池的易用性使得它们在小型项目中更受青睐。圆柱形的锂离子单体电池在完全充电的化学反应过程中仍可以保持原有的形状不发生膨胀，而对于其他形状的单体电池来说，就必须选择合理的外壳来抑制膨胀。此外，K2 能源公司将一系列小圆柱单体电池组装成为具有棱柱外形的电池，这些电池同时具备了小圆柱单体电池的机械特性、热特性和棱柱单体电池的易用特性。2大规模锂离子电池管理系统表 1.1 锂离子单体电池形状对比小圆
16、柱大圆柱棱柱袋状外形包裹成小圆柱状，一般长 65mm包裹成金属或硬塑圆柱状中等硬度塑料包裹 软袋包裹连接镍焊接或铜条铜板焊接螺栓螺母联接或螺栓螺纹联接 螺栓螺纹联接 标签夹连接或焊接满充抗膨胀性外形固有抗膨胀特性外形固有抗膨胀特性需要在电池尾部加装抗膨胀板需要在电池尾部加装抗膨胀板商业性差：设计过程复杂，需要焊接，劳动强度大好：需要一些设计优秀：几乎不需要设计非常差：需要很多的设计劳动工作特性好：焊接提供了较高的可靠性 好 优秀 好：高表现替换特性 不可能 可能但不简单 简单 一般不可能注释易于改造，因为较小的外形可以适应各应用一 般 不 广 泛应用较高的可利用性，几乎不需 要设计高能量/功率密度，需要大量的设计工作量，一般在大型产品中才选择应用1.2.2 化学过程锂离子单体电池通过内部锂离子在正负电极之间嵌入和脱嵌进行充放电，锂离子在正负极之间的传递模式被戏称为“摇椅模式”。锂离子单体电池大多采用聚合物电解质或凝胶电解质，而其他单体电池则大多采用非水液体电解质。许多锂离子化合物可用于制作锂离子单体电池。通常情况下根据锂离子单体电池阴极材料对其进行命名。LiCoO2：标准钴酸锂。LiM
