BMS主要做什么？揭秘锂离子电池材料测试技术

如果把电芯比作人体的心脏，模组和电池包比作强健的体魄，那么整个动力电池系统要平稳运行，还需要一个支配身体的智慧大脑，那就是BMS。

　　电池管理系统（BatteryManagementSystem，简称BMS）是连接电池和电动汽车的重要纽带，其精准的控制和管理为电池的完美应用保驾护航。

　　“龙生九子，各有不同”。即使同一批次生产的两个单体电芯，因生产工艺误差、使用环境差异等，其性能也不可能完全一致；在使用过程中这种不一致性会逐渐扩大，可能会出现过充、过放和局部过热的危险，严重时影响到电池组的使用寿命和安全。

　　这时就需要BMS大显身手。

　　那么问题来了，BMS主要做什么？

　　关于BMS的功能，行业内关于其分类方式不尽相同。不过从用户的角度来理解，可大致划分为两大功能——“电池体检”和“安全卫士”。

　　即时体检

　　精准掌握电池状态

　　即时“体检”，指的是电池数据采集和状态评估。

　　数据采集，可简单理解为给电池做例行的“体检”；在充放电过程中，实时采集电池组中每块电池的端电压、温度、充放电电流及总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。

　　这种“体检”是在线的、持续的、不间断的。过程中当发现数据异常时，可及时查询对应电池状况，并挑选出有问题的电池，从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。

　　工程师在采集数据，观测车辆在充电状态下的电流、电压、SOC的变化

　　宁德时代掌握业内领先的高精度测量技术，总流总压精度可达千分之五；采样数据精度很高，通过实时了解电池真实工作状态，及时做出判断与修正。

　　“体检”结束之后，会进入分析、诊断、计算的阶段，之后生成“体检报告”，这个过程可以理解为电池的状态评估。

　　这时，我们需要了解一个行业的常用术语——SOC。

　　何为SOC？

　　电池组的荷电状态(StateofCharge，即SOC)，即电池剩余电量。SOC是判断电池过充及过放等一系列故障的基础，精确的估算SOC，可防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命，从而提高电池的利用率。

　　其实，除了SOC估算，还有SOH（StateofHealth），SOP（StateofPower），用户可通过车上仪表显示，看到这些数据，从而确认电池的工作、功能状态。据此，在保护电池的基础上，将潜力发挥最大化，大大提升驾乘体验。

　　因此SOC等数据估算的准确与否，就显得特别重要。估算不准带来的后果，有可能是汽车抛锚、与预期的行驶里程数不符等。

　　车辆正在进行快充实验时，SOC显示52%

　　举个例子，满电情况下续航里程为400公里的车辆在道路行驶。若估算准确，当SOC显示为10%时，还可能行驶的里程是40公里；若估算不准，SOC达到15%，则用户以为的里程为60公里，事实上可能在行驶40公里之后，就已经没电了。很显然，对于用户来说，这样的情况很糟糕。

　　关于电池状态的估算，需要经过一系列复杂的计算。宁德时代掌握了精确的核心算法，通过基于电池参数的估算方法，有效消除累积误差的影响，估算更精确。NCM估算精确度在3%，LFP在5%左右。

　　“安全卫士”

　　保护电池及人身安全

　　BMS还有另一大核心功能，就是“安全卫士”。其实就是保护的作用，这包括电池的自我保护和人身安全的保护。

　　众所周知，电池过充、过放会带来局部过热，影响电池寿命不说，严重时会威胁到电池组的安全，进而引发人身安全隐患。这时，BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能，一方面与整车、充电机实现通讯，另一方面实时提供电池状态，便于及时发出指令控制，有效防止高充、低放的发生。

　　在保护电池的模块，均衡也是很重要的一环，是保护并提升电池寿命的必要手段。另外，电池的保护还包括过压、欠压、过温、过流等的保护。简单来说，当实际参数高于或低于某约定值时，系统将自动做出判断，并采取断开、预充等方式保护电池安全。

　　在人身安全方面，BMS通过高压控制的手段来保护。电池高压可达300-500V，远超人体安全电压36V，风险隐患极大，必须做好高压控制，最常见的就是继电器、高压互锁、绝缘防护。周全的高压防护控制，可有效保护司机、乘客和维护人员的人身安全。

　　提到安全，就不得不提功能安全了。宁德时代始终以做世界第一安全电池为发展目标，是业内率先进入功能安全领域，同时最为完善的电池企业。

　　在整个平台开发过程中，BMS严格遵守并满足国际标准ISO26262，项目经验丰富，先后在宝马、大众及PSA项目中进行了功能安全管理及开发；功能安全逐步形成宁德时代的代差优势，也获得了更多国内外整车厂的认可。

　　在设计阶段，宁德时代力求实现ASIL：D级别目标。如何理解？

　　ISO26262标准根据安全风险程度，划分由A到D的安全需求等级（AutomotiveSafetyIntegrityLevel，ASIL），其中D级为最高等级，需要最苛刻的安全需求。等级越高，对系统的安全性要求越高，为实现安全付出的代价越高，意味着硬件的诊断覆盖率越高，开发流程越严格，相应的开发成本增加、开发周期延长，技术要求越严格。锂电池作为新能源被广泛应用于电子产品和汽车。近年来，国家对新能源产业大力扶持，国内外许多相关的企业和研究所加大投入，不断研究新材料提高锂电池的各方面性能。而锂电材料及相关的全电池、半电池、电池组被投产应用之前需要经过一系列的检测。下面就由我总结一下锂电材料常用的几种测试手段。

　　1.扫描电镜（SEM）

　　由于电池材料的观察尺度在亚微米即几百纳米到几微米的范围，普通光学显微镜无法满足观察的需求，而更高放大倍数的电子显微镜则经常被用来观察电池材料。

　　扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。扫描电子显微镜可以观察到锂电材料的粒径大小和均匀程度，以及纳米材料自身的特殊形貌，甚至通过观察材料在循环过程中发生的形变我们可以判断其对应的循环保持能力好坏。如图1b所示，二氧化钛纤维具有的特殊网状结构能提供良好的电化学性能。

　　1.1SEM扫描电镜原理：

　　如图1a所示，SEM是利用电子束轰击样品表面，引起二次电子等信号的发射，主要利用SE并放大、传递SE所携带的信息，按时间序列逐点成像，显像管上成像。

　　1.2扫描电镜的特点：

　　⑴图象立体感强、可观察一定厚度的样

　　⑵样品制备简单，可观察较大的样

　　⑶分辨率较高，30~40？

　　⑷倍率连续可变，从4倍~~15万

　　⑸可配附件，进行微区的定量、定性分析

　　1.3观察对象：

　　粉末、颗粒、块状材料都可以测试，测试前除保持干燥外，不需要特殊处理。主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等。可直观反应材料的粒径尺寸特殊结构及分布情况。

　　2.TEM透射电子显微镜

　　2.1原理：

　　主要利用入射电子束穿过样品，产生携带样品横截面内部的电子信号，并经多级磁透镜的放大后成像于荧光板，整幅像同时成立。

　　2.2特点：

　　⑴样品超薄，h<1000？

　　⑵二维平面像，立体感差

　　⑶分辨率高，优于2？

　　⑷样品制备复杂

　　2.3观察对象：

　　在溶液中分散的纳米级材料，使用前需要滴在铜网上，提前制备并保持干燥。主要观察样品内部超微结构，HRTEM高分辨透射电镜可以观察到材料对应的晶格和晶面。如图2b所示，观察二维平面结构具有更好的效果，相对于SEM的立体感差，但可以具有更高的分辨率，观察到更细微的部分，，特殊的HRTEM甚至可以观察到材料的晶面和晶格等信息。

　　3.材料晶体结构测试：（XRD）X射线衍射仪技术

　　X射线衍射仪技术(X-raydiffraction，XRD)。通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此，X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。

　　3.1XRD原理：

　　X射线衍射作为一电磁波投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就像从原子中心发出，每个原子中心发出的散射波类似于源球面波。由于原子在晶体中是周期排列的，这些散射球波之间存在固定的相位关系，会导致在某些散射方向的球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象。每种晶体内部的原子排列方式是唯一的，因此对应的衍射花样是唯一的，类似于人的指纹，因此可以进行物相分析。其中，衍射花样中衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定。衍射线的强度是由原子的种类和它们在晶胞中的位置决定。通过布拉格方程：2dsinθ=nλ，我们可以获得不同材料通过使用固定靶材激发的X射线在特殊θ角位置产生特征信号，即PDF卡片上标注的特征峰。

　　3.2XRD测试特点：

　　XRD衍射仪的适用性很广，通常用于测量粉末、单晶或多晶体等块体材料，并拥有检测快速、操作简单、数据处理方便等优点，是一个标标准准的“良心产品”。不仅仅可用于检测锂电材料，大部分晶体材料都可以采用XRD测试其特定的晶型。图3a为锂电材料Co3O4所对应的XRD光谱，图上根据对应的PDF卡片标注了该材料的晶面信息。该图黑色对应块体材料结晶峰窄且高度明显，说明其结晶性很好。

　　3.3测试对象及样品准备要求：

　　粉末样品或表面平整的块状样品。粉末样品要求磨匀，样品表面要铺平，减小测量样品的应力影响。

　　4.电化学性能（CV）循环伏安法和循环充放电

　　锂电池材料属于电化学范围，因而对应的一系列电化学测试必不可少。

　　CV测试：一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。

　　循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往是循环伏安法。由于受影响因素较多，该法一般用于定性分析，很少用于定量分析。

　　恒电流循环充放电测试：锂电材料组装成相应的电池之后，需要进行充放电进行循环性能的测试。充放电过程经常采用恒电流充放电的方式，以固定电流密度进行放电和充电，限制电压或比容量的条件，进行循环测试。实验室常用的有武汉蓝电和深圳新威两种测试仪，设置简单的程序后，即可测试电池的循环性能。图4b为一组锂电材料组装电池后的循环图，我们可以看到黑色bulk材料对应可以循环60圈，红色NS材料可循环超过150圈。

　　小结：锂电池材料的测试技术有很多，最为常见的有上述的SEM，TEM，XRD，CV和循环测试等。另外还有拉曼光谱（Raman），红外光谱（FTIR），X射线光电子能谱（XPS），以及电镜附件部分的能谱分析（EDS），电子能量损失谱（EELS），判断材料粒度及孔隙率的BET比表面积测试法。甚至有些时候还能用到中子衍射和吸收谱（XAFS）等表征手段。

　　近30年时间内，锂电池行业迅速发展并要逐步替代煤炭和石油等传统燃料应用于汽车等动力设备，而随之发展的表征检测手段也不断的完善和促进着锂电池领域的进步。