电动汽车BMS关键技术探究

背景概况

Battery Management System

BMS

电池管理系统作为连接电动汽车（电力能源车）电池组、整车系统和电机的重要桥梁，通过与动力电池紧密结合的传感器，对电池的电压、电流、温度等进行实时检测，实现对汽车电动系统的全面管理。BMS的关键作用是避免应用中的电池过度充、放电，改善电池组中各单体电池的不对称性，提高电池组的效率，延长其使用寿命。BMS检测单个电池及整个电池组的工作参数（如电压、电流以及温度等），与整车监控系统、车载充电机进行实时总线通讯，这对预测整个汽车电池的安全性能非常重要。总之，作为电池系统的核心，BMS在电动汽车中扮演着重要的角色，对BMS关键技术的探究具有重要意义。

BMS类别&功能概述

（一）BMS基本类别

BMS按拓扑连接结构分类可分为集中式、模块式、主从式、分布式。（1）集中式BMS的所有单体电池均位于一个封装模块内，从封装模块内部延伸出一束导线（N个单体电池为N+1根导线），然后每根导线分别连接到每个单体电池上。集中式BMS具有结构紧凑、价格低廉以及检修便利等优点。（2）模块式BMS被分为多个相同的子模块，每个封装的导线分别连接电池内部不同的模块。模块式BMS除具有集中式结构优点外，还具有BMS子模块到单体电池间连接结构简单、子模块与电池距离近以及BMS子模块易于拓展等优点。（3）主从式BMS由主模块与多个相同子模块（即从属模块）构成，主模块主要负责计算和通信，各个子模块则负责测量单体电池电压。主从式拓扑结构制造成本低廉，且兼具模块式拓扑结构多数优点。（4）分布式BMS指电子器件与待测单体电池一起被直接安装在电路板上，分布式BMS也具有连接简便的优点。集中式、模块式、主从式以及分布式的结构如图1所示：

图1

BMS根据处理系统的不同也可分为BMS模拟系统 （简单系统）和BMS数字系统（复杂系统）。

（1）BMS模拟系统指以模拟电路（如模拟比较器、放大器、差分电路或者类似的元件）处理单体电池电压，这种系统设计简单、方便实现，但其不能检测单体电池电量，即只能检测到某个单体电池电压过低，但无法获知该单体电池电压的具体数值。

（2）BMS数字系统则可以准确检测每个单体电池的电压、温度等状态，将单体电池电压的上述状态处理为数字信号。模拟系统与数字系统的基本控制原理分别如图2、图3所示：

图2：模拟系统基本控制原理

图3：数字系统基本控制原理

（二）BMS基本功能模块

1.恒流恒压充电板块

恒流恒压充电板块是用于对电池进行标准、规范化充电的装置，其中“恒压”和“恒流”表示两种工作模式，即恒流模式（Constant Current  mode，CC mode）和恒压模式（Constant Voltage mode，CV mode）。其中CC mode指电池组在开始充电之后，充电装置将会输出一个固定的充电电流，在整个充电过程中电池两端电压逐渐增大；CV mode指当电池组接近满充、电池电压接近恒定时，充电器维持该恒定充电电压，在接下来的充电过程中，充电器的充电电流将以指数形式进行衰减，直至电池满充。

2.分流板块

分流板块的功能为均衡电池组，分流板块与单体电池并联，当单体电池处于满充状态时，分流板块为避免电池处于过充状态，会旁路掉流入的部分或者全部电流。

3.检测板块

检测板块的作用是检测参数，其不具有主动地控制充、放电的能力。其功能一般包括：

● 测量每个单体电池电压；

● 测量电池组的电流及温度；

● 编译数据；

● 计算或评估电池组的状态，如荷电状态（State of Charge， SOC）；

● 显示结果；

● 警告功能。

4.控制板块

控制板块可以在接收到每个单体电池的电压后，实现闭环控制。控制板块不能切断电池组电流，只能向其他设备（如充电器、负载）发出指令，以达到减少或者切断电池组电流的目的。

5.均衡板块

均衡板块通过改善电池组中各单体电池的不对称性来实现电池组性能的最大化。其具备通讯功能，可以向系统内其他部分传输数据。均衡板块的连线方式使之可以控制充电电源和放电负载。

6.保护板块

保护板块功能类似均衡板块，但比均衡板块多了一个可关断电流的开关。更适用于小型电池的管理。

7.功能涉及技术归纳如图4所示：

图4

BMS关键技术分析

（一）测量技术

1.测量技术之测电压

BMS首要功能就是收集数据、测量信号，包括：单体电池电压、单体电池温度，或电池模块温度、电池组电流。电压信号由模拟多路调制器采集得到，通过模数转换器读取数据并传输至处理器。

电压检测一般有三种检测结构，即离散型电压检测结构、单极复用型电压检测结构以及差动复用型电压检测结构。具体而言，在离散型电压检测结构中，分布式BMS可以直接测量单体电池的电压，电池板在测量单体电压时一般都由单体电池本身负责供电；在单极复用型电压检测结构中，BMS可测量电池内的分接头电压，并计算两个分接头之间的电压差值，以此作为单体电池电压值；在差动复用型电压测量结构中，BMS可以同时采用两种方法，测量单体电池两端的分接头，并计算其电压差值作为单体电池电压。三种电压检测结构如图5所示：

图5

 2.测量技术之测温度

测温技术对于保障各类电池稳定工作意义重大。大多数单体电池在外界处于某个特定温度范围时，其放电能力会受到限制，因此，单体电池在某些温度不可控的移动应用场景中需要监测温度才可保证其正常使用；电池本身也可因其内部问题（如单体电池损坏）或外部问题（电源接触不良）导致单体电池变热，此时需要测温装置对系统发出警告信号；在分布式BMS内，各子模块放置传感器操作简便，其不仅可以测量单体电池温度，还可以监测均衡负载的功能模块是否在工作。

不同类型的BMS所对应的测温技术应用和需求也有所不同。数字式BMS对温度监测没有绝对的要求；分布式BMS可对逐个单体电池进行测温；非分布式BMS仅可测量电池或电池模块温度；在测温位置安排上，如果BMS只有有限的传感探头，其应该分布于温度变化最为明显的位置。

单体电池级结构如图6所示：

图6

电池级结构如图7所示：

图7

3.测量技术之测电流

电流检测技术使BMS能够具备更多功能：防止电池组内的单体电池因续流而超出安全区域、计算单体电池内部直流电阻和单体端电压等。目前测量电流的器件主要有两种，即基于分流器的电流传感器和霍尔效应电流传感器，基于分流器的电流传感器的功能原理与大电流霍尔效应传感器功原理如图8、图9所示：

              图8                                         图9

基于分流器的电流传感器是一个高精度的大功率电阻器。电池模块电流在分流电阻器中通过，从而导致电压降；大电流霍尔效应传感器是环状的模块，承载模块电流的电缆穿过环状模块；小电流霍尔效应传感器是具有两个功率终端的集成电路，电流流经该集成电路。基于分流器的电流传感器与霍尔效应传感器特点对比如表1：

表1：基于分流器的电流传感器和霍尔效应传感器特点对比

基于分流器的电流传感器

（二）管理技术

BMS从管理技术上可分为保护、平衡和热管理三个方面，其中保护是指保障电池始终工作在安全区域（SOA）内，平衡是指使电池模块容量最大化，热管理则是通过控制环境温度使电池工作在安全区域内。其中，SOC 用来反映电池的剩余容量，即在一定放电倍率条件下，电池剩余电量与其额定容量的比值，数学表达式如下：

SOC =Qt/Q× 100%                        

 (1)式中：Qt为剩余电量；Q 为额定容量。

1.管理技术之保护

(1)请求关断：

SOC处于或接近边界条件时，检测板块协同平衡板块可以通过控制外部系统减少或停止使用电池组以达到目的。上述功能的实现，一般需要先检测出的线性变化数值，然后发出开关信号指示，这些信号包括：放电电流限制（DCL）、充电电流限制（CCL）、下限限制（LLIM或LVL）以及上限限制（HLIM或HVL）。请求关断控制原理如图10所示：

图10

(2)直接关断：

保护板块会切断电池电流以防电池组运行于安全区域外。保护板块无须依靠其他系统，通过开关直接控制流经其内部的电流。无论BMS采用何种保护技术，必须保证其在最大电流和电压时均能正常工作。直接关断控制原理如图11所示：

图11

2.管理技术之均衡

由于生产问题或使用损耗等问题，电池组内各电芯的电量存在差异，且若不加干涉其差异会随着使用逐渐加大。而整个电池组的电量类似于“木桶原理”，由电池内电量最小的电芯决定。因此，为了使每个电芯保持较好的一致性，就要对电芯进行均衡，尽可能使所有电芯的电量趋于一致。

均衡技术使得单体电池均衡充放电达到均衡一致的状态，常见的有主动均衡技术和被动均衡技术。其中被动均衡技术一般采用电阻放电，电路简单可靠，可以有效解决电池不一致的问题，但是这种均衡技术属于耗散型均衡，存在能源浪费的弊端。

主动均衡是通过削峰填谷、能量转移的方式来实现均衡的，其均衡技术主要有四种，即电容均衡、电感均衡、变压器均衡以及DC-DC均衡。主动均衡具备电能利用率高以及均衡见效快等优点，但是其均衡电路结构复杂、成本高以及故障率高等困难，存在较高的技术壁垒。主动均衡和被动均衡策略如图12所示：

图12

主、被动均衡技术优劣势对比如表2所示：

表2：主、被动均衡技术优劣势对比

（数据来源：《大规模锂离子电池管理系统》）

3.管理技术之热管理

由于电池材料的固有属性（特别是锂离子电池），温度过高或过低都会对其正常使用产生影响。电池的温度过高会危害电池网络架构的可靠性，减少电池的使用年限。工作温度过低会减少电池原材料活力、可用容积和电池效率。具体来讲热管理系统主要通过三种形式的热量管理形式来进行热量管理，即预热、散热和温度均衡。

预热是指在检测到电池温度低于指定值时给电池加热，避免电池在低温状态下的正常性能不能发挥以及安全事故的发生。具体而言，对低温状态下的电池充电电池进行充电容易造成内部短路，因为电池容量在低温状态下会衰减致较低水平，此时直接充电有一定概率会导致瞬间的电压过充问题；与此对应的是，低温环境下的电池放电能力也会受到限制，因此，在一定程度的低温状态下，有必要对电池进行加热或保温。

散热是指在电池温度较高时对其有效散热，防止产生热失控事故。由于生产问题以及使用损耗等问题可能造成电池局部过热，进而引起一系列连锁放热反应，严重时甚至会引发各类热失控事件。根据提供的能量来源不同，散热可分为被动式和主动式两种冷却方式；根据传热介质的不同，散热也可分为冷风、液冷和PCM（相变材料）三种冷却形式。冷风冷却系统工作原理如图13所示：

图13

液冷冷却系统工作原理如图14所示：

图14

温度均衡指减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，提高电池组整体寿命。电池的适宜温度约在20~30℃之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。

（三）评价技术

BMS的评价功能板块包括对荷电状态和荷电深度（Depth of discharge，DOD）这两个指标的评价，根据SOC和DOD的数值可估算出电池的剩余使用时间及剩余驾驶里程。但以现有技术手段仍无法实现直接测量电池组的SOC，目前只有两种估算方式，即电压转换和电流积分。电压转换是基于电池材料的固有特性，在电池放电过程中，电池电压与电量存在一定的线性关系，因此在电池电量的特定阶段可以通过电压量来转换得到电池电量，但由于其电压与电池电量并非完全为线性对应关系，其估算准确率不高。因此，电压转换的方法几乎不会单独应用于实践。

电流积分也叫库伦计数，指对电池电流进行积分，从而得到其荷电量的相对值。库伦计数的方式能够非常精确地转换出电池电量，但有两个限制条件：

1、单元电池漏电流不流经电流传感器，因此不参与计算；

2、电池电流的测量漂移将会导致SOC随时间上升/下降。

库伦计数非常适用于锂离子电池，因为其漏电流程度很低。由于铅酸单体电池所属材料体系，电池电压在放电过程中呈现线性降低，因此可以考虑使用电压表作为表征SOC的指示器；实践中，会通过技术级联，即将库伦计数和电压转换两种方式结合，为实现对电池DOD的估计提供了一个合理的解决方案。积分计算结合电压转换估算DOD的坐标示意图如图15：

图15