分析探究汽车动力电池管理系统

汽车动力电池管理系统的分析

电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)随着锂电池在不同行业与产品中越来越多的应用而成为热点。这篇文章主要概述其在电动汽车中应用，主要介绍BMS的作用、架构和设计考虑要点。

在中国电动汽车标准里头，有一份正在报批的推荐性国家标准《电动汽车用电池管理系统技术条件》。这份标准之中定义了不少BMS的功能需求，分为一般要求和技术要求。一般要求包括电池数据采集、信息传递和安全管理三部分的内容，具体包括检测电池与热和电相关的数据(电压、电流和温度等参数);荷电状态(SOC)实时估算;对电池系统进行故障诊断，内含故障处理机制;通过总线与车辆其他控制器实现信息交互;通过与充电设备的通讯实现对充电过程的控制和管理。技术要求包括绝缘电阻、绝缘耐压性能、电池系统状态监测、SOC估算、电池故障诊断、安全保护，也定义了运行条件包括过电压运行、欠电压运行、高温运行、低温运行、耐高温性能、耐低温性能、耐盐雾性能、耐湿热性能、耐振动性能、耐电源极性反接性能和电磁辐射抗扰性等。

以上的标准定义，可能对BMS的概念会产生一些模糊，另外一种划分可能更为精确一些：

1.监测：BMS通过检测电池组中的物理参数实现对电池单体和电池组情况进行监测。由于一般电池组需要热系统，所以流量作为一个重要参数;荷电状态(SOC)和电池健康状态(SOH)从理论上应该被放置在监测的内容之中，虽然想要得出两个状态都需要较多的数据和计算支持。

2.计算：真正的计算其实是在整车控制器下根据监测得到的状态得出的电池使用限制。比如在不同的SOC下，电池的最大充电功率和放电功率的不同的限值。电动汽车需要计算和统计电池的使用情况，需要将单次使用的能量、首次使用后总共使用能量和首次使用后的时间进行统计，以评估汽车电动行驶里程和电池寿命情况。

3.通信：BMS内部和外部都需要通过通信的方式发送数据。以无线和有线的方式，将电池和车辆数据进行汇总，这是BMS的通信的基本要求。在电动汽车充电领域中，直流快速充电，车辆和电网电力交换(V2G)，以及车辆和住宅电力交换(V2H)，在这些未来的扩展功能中，BMS的通信功能起到至关重要的功能。

4.保护：在这块内容之中，涵盖故障诊断和处理两方面内容，包括过压、欠压、过流、低温、高温和短路。这部分内容已经作为BMS部分基本的内容，但是与电池单体的特性相关性非常大。在故障处理的时候，往往需要BMS能配置开关和冷却系统，不过重要的一点是平衡电池安全和车辆运行安全之间。如果BMS突然去执行部分操作而不考虑汽车安全的话，将会带来非常糟糕的结果。

5.优化：这项内容涉及电池组的平衡、电池容量计算和其他寿命优化。从汽车出厂开始使用以后，随着充电次数的增加和使用时间的延长，通过一系列参数定时去分析电池的状况变化是BMS的一个重要的工作。

当然在BMS之中，可能由于整个电动汽车的安全性要求，需要加入高压互锁、绝缘检测或者其他功能，这部分都可以考虑为所有高压相关部件所共有的安全特征，可以单独罗列。4R.^*\9D&i3Z0?6H

典型的BMS系统，可以分为内部架构和外部架构

内可以分为：

1.信号调理部分：单体电压、模块电压、电池组电压、电流和温度传感器、流量传感器、绝缘检测和其他信号的调理电路，通常分别位于子模块和主模块上。

2.控制驱动部分：正级继电器、负极继电器、加热装置驱动、散热装置驱动和高压互锁等控制部分。

3.一般仅由主模块进行控制。

4.电源和时钟部分：由于BMS存在高压和12V低压，首先需要注意隔离的问题。

5.处理部分：这块基本是控制策略和算法的工作。

7外可分为以下三部分内容：

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1.机械连接：根据电池单体的数量和布置，BMS可以选择分布式或者是集中式的。这里就会涉及到主模块和子模块的固定问题。而整个电池包系统的机械连接问题，往往也是电动汽车设计的重点考虑，力和振动方面分析，以及爬坡等质量配置等也都是考虑涉及的问题。

2.数据通信：这里是指实际的总线接口，一般以高速和低速的CAN为主。在未来实现智能电网系统中，可能会配置电力线载波通信(PLC)等有线接口和Zigbee等无线接口;在国家电网设计的电池包内还配置有GPS等电路模块。'

3.物理连接：单体电池正负极上的电压、温度测量传感器和电流传感器等都需要和BMS进行直接的物理连接，这部分是看似简单但却是充满智慧的地方。

外部架构是BMS与电池系统和其他部件一起工作的基石，马虎不得。

由于要满足传统驾驶员的使用习惯，HEV、PHEV、EREV和EV都是按普通车的基本要求来设计的，使得改进的动力系统和基本的驾驶情况都需要与原有的内燃机汽车存在较大的相似性。以欧洲NEDC、ECE15、EUDC，美国FTP72、FTP75、SFTP、US06、SFTP、SC03和日本10-15Mode为蓝本的驾驶工况，通过整车的情况，可以得到电池组的实际工作情况。在很多的实验室内，可以看到基于这样的整车测试平台所得到的数据，而BMS的实际工作环境就是建立在这些抽象出来的典型工况上面的。

电动汽车区别于其他用电设备的一个很重要的因素，就在于它既需要较高的功率也需要很大的能量。高功率意味着大电流，意味着很难在低成本下精确测量电流，能量大意味着电池容量和数量的巨大，这两者对于电池组的安全要求很高。一系列的因素组合之下，使得车用BMS涉及的东西较多，这里叙述的是个人的一些浅见，希望与大家共同探讨这个领域。