背景概況

Battery Management System                                                                    BMS                                          

電池管理系統(tǒng)作為連接電動汽車（電力能源車）電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要橋梁，通過與動力電池緊密結(jié)合的傳感器，對電池的電壓、電流、溫度等進行實時檢測，實現(xiàn)對汽車電動系統(tǒng)的全面管理。BMS的關(guān)鍵作用是避免應(yīng)用中的電池過度充、放電，改善電池組中各單體電池的不對稱性，提高電池組的效率，延長其使用壽命。BMS檢測單個電池及整個電池組的工作參數(shù)（如電壓、電流以及溫度等），與整車監(jiān)控系統(tǒng)、車載充電機進行實時總線通訊，這對預(yù)測整個汽車電池的安全性能非常重要?？傊?，作為電池系統(tǒng)的核心，BMS在電動汽車中扮演著重要的角色，對BMS關(guān)鍵技術(shù)的探究具有重要意義。 

 BMS類別&功能概述

（一）BMS基本類別

BMS按拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)分類可分為集中式、模塊式、主從式、分布式。

（1）集中式BMS的所有單體電池均位于一個封裝模塊內(nèi)，從封裝模塊內(nèi)部延伸出一束導(dǎo)線（N個單體電池為N+1根導(dǎo)線），然后每根導(dǎo)線分別連接到每個單體電池上。集中式BMS具有結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉以及檢修便利等優(yōu)點。

（2）模塊式BMS被分為多個相同的子模塊，每個封裝的導(dǎo)線分別連接電池內(nèi)部不同的模塊。模塊式BMS除具有集中式結(jié)構(gòu)優(yōu)點外，還具有BMS子模塊到單體電池間連接結(jié)構(gòu)簡單、子模塊與電池距離近以及BMS子模塊易于拓展等優(yōu)點。

（3）主從式BMS由主模塊與多個相同子模塊（即從屬模塊）構(gòu)成，主模塊主要負(fù)責(zé)計算和通信，各個子模塊則負(fù)責(zé)測量單體電池電壓。主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)制造成本低廉，且兼具模塊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多數(shù)優(yōu)點。

（4）分布式BMS指電子器件與待測單體電池一起被直接安裝在電路板上，分布式BMS也具有連接簡便的優(yōu)點。集中式、模塊式、主從式以及分布式的結(jié)構(gòu)如圖1所示：         

圖1

BMS根據(jù)處理系統(tǒng)的不同也可分為BMS模擬系統(tǒng) （簡單系統(tǒng)）和BMS數(shù)字系統(tǒng)（復(fù)雜系統(tǒng)）。

（1）BMS模擬系統(tǒng)指以模擬電路（如模擬比較器、放大器、差分電路或者類似的元件）處理單體電池電壓，這種系統(tǒng)設(shè)計簡單、方便實現(xiàn)，但其不能檢測單體電池電量，即只能檢測到某個單體電池電壓過低，但無法獲知該單體電池電壓的具體數(shù)值。

（2）BMS數(shù)字系統(tǒng)則可以準(zhǔn)確檢測每個單體電池的電壓、溫度等狀態(tài)，將單體電池電壓的上述狀態(tài)處理為數(shù)字信號。模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的基本控制原理分別如圖2、圖3所示：

圖2：模擬系統(tǒng)基本控制原理

圖3：數(shù)字系統(tǒng)基本控制原理

（二）BMS基本功能模塊

1.恒流恒壓充電板塊

恒流恒壓充電板塊是用于對電池進行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范化充電的裝置，其中“恒壓”和“恒流”表示兩種工作模式，即恒流模式（Constant Current  mode，CC mode）和恒壓模式（Constant Voltage mode，CV mode）。其中CC mode指電池組在開始充電之后，充電裝置將會輸出一個固定的充電電流，在整個充電過程中電池兩端電壓逐漸增大；CV mode指當(dāng)電池組接近滿充、電池電壓接近恒定時，充電器維持該恒定充電電壓，在接下來的充電過程中，充電器的充電電流將以指數(shù)形式進行衰減，直至電池滿充。

2.分流板塊

分流板塊的功能為均衡電池組，分流板塊與單體電池并聯(lián)，當(dāng)單體電池處于滿充狀態(tài)時，分流板塊為避免電池處于過充狀態(tài)，會旁路掉流入的部分或者全部電流。

3.檢測板塊

檢測板塊的作用是檢測參數(shù)，其不具有主動地控制充、放電的能力。其功能一般包括：

● 測量每個單體電池電壓；

● 測量電池組的電流及溫度；

● 編譯數(shù)據(jù)；

● 計算或評估電池組的狀態(tài)，如荷電狀態(tài)（State of Charge， SOC）；

● 顯示結(jié)果；

● 警告功能。

4.控制板塊

控制板塊可以在接收到每個單體電池的電壓后，實現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂瓢鍓K不能切斷電池組電流，只能向其他設(shè)備（如充電器、負(fù)載）發(fā)出指令，以達到減少或者切斷電池組電流的目的。

5.均衡板塊

均衡板塊通過改善電池組中各單體電池的不對稱性來實現(xiàn)電池組性能的最大化。其具備通訊功能，可以向系統(tǒng)內(nèi)其他部分傳輸數(shù)據(jù)。均衡板塊的連線方式使之可以控制充電電源和放電負(fù)載。

6.保護板塊

保護板塊功能類似均衡板塊，但比均衡板塊多了一個可關(guān)斷電流的開關(guān)。更適用于小型電池的管理。

7.功能涉及技術(shù)歸納如圖4所示：

 圖4

  BMS關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）測量技術(shù)

1.測量技術(shù)之測電壓

BMS首要功能就是收集數(shù)據(jù)、測量信號，包括：單體電池電壓、單體電池溫度，或電池模塊溫度、電池組電流。電壓信號由模擬多路調(diào)制器采集得到，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)并傳輸至處理器。

電壓檢測一般有三種檢測結(jié)構(gòu)，即離散型電壓檢測結(jié)構(gòu)、單極復(fù)用型電壓檢測結(jié)構(gòu)以及差動復(fù)用型電壓檢測結(jié)構(gòu)。具體而言，在離散型電壓檢測結(jié)構(gòu)中，分布式BMS可以直接測量單體電池的電壓，電池板在測量單體電壓時一般都由單體電池本身負(fù)責(zé)供電；在單極復(fù)用型電壓檢測結(jié)構(gòu)中，BMS可測量電池內(nèi)的分接頭電壓，并計算兩個分接頭之間的電壓差值，以此作為單體電池電壓值；在差動復(fù)用型電壓測量結(jié)構(gòu)中，BMS可以同時采用兩種方法，測量單體電池兩端的分接頭，并計算其電壓差值作為單體電池電壓。三種電壓檢測結(jié)構(gòu)如圖5所示：                      

圖5

2.測量技術(shù)之測溫度

測溫技術(shù)對于保障各類電池穩(wěn)定工作意義重大。大多數(shù)單體電池在外界處于某個特定溫度范圍時，其放電能力會受到限制，因此，單體電池在某些溫度不可控的移動應(yīng)用場景中需要監(jiān)測溫度才可保證其正常使用；電池本身也可因其內(nèi)部問題（如單體電池?fù)p壞）或外部問題（電源接觸不良）導(dǎo)致單體電池變熱，此時需要測溫裝置對系統(tǒng)發(fā)出警告信號；在分布式BMS內(nèi)，各子模塊放置傳感器操作簡便，其不僅可以測量單體電池溫度，還可以監(jiān)測均衡負(fù)載的功能模塊是否在工作。

不同類型的BMS所對應(yīng)的測溫技術(shù)應(yīng)用和需求也有所不同。數(shù)字式BMS對溫度監(jiān)測沒有絕對的要求；分布式BMS可對逐個單體電池進行測溫；非分布式BMS僅可測量電池或電池模塊溫度；在測溫位置安排上，如果BMS只有有限的傳感探頭，其應(yīng)該分布于溫度變化最為明顯的位置。

單體電池級結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6

圖7

3.測量技術(shù)之測電流

電流檢測技術(shù)使BMS能夠具備更多功能：防止電池組內(nèi)的單體電池因續(xù)流而超出安全區(qū)域、計算單體電池內(nèi)部直流電阻和單體端電壓等。目前測量電流的器件主要有兩種，即基于分流器的電流傳感器和霍爾效應(yīng)電流傳感器，基于分流器的電流傳感器的功能原理與大電流霍爾效應(yīng)傳感器功原理如圖8、圖9所示：

     圖8                                                 圖9

基于分流器的電流傳感器是一個高精度的大功率電阻器。電池模塊電流在分流電阻器中通過，從而導(dǎo)致電壓降；大電流霍爾效應(yīng)傳感器是環(huán)狀的模塊，承載模塊電流的電纜穿過環(huán)狀模塊；小電流霍爾效應(yīng)傳感器是具有兩個功率終端的集成電路，電流流經(jīng)該集成電路。基于分流器的電流傳感器與霍爾效應(yīng)傳感器特點對比如表1：

表1：基于分流器的電流傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器特點對比

（二）管理技術(shù)

BMS從管理技術(shù)上可分為保護、平衡和熱管理三個方面，其中保護是指保障電池始終工作在安全區(qū)域（SOA）內(nèi)，平衡是指使電池模塊容量最大化，熱管理則是通過控制環(huán)境溫度使電池工作在安全區(qū)域內(nèi)。其中，SOC 用來反映電池的剩余容量，即在一定放電倍率條件下，電池剩余電量與其額定容量的比值，數(shù)學(xué)表達式如下：

SOC =Qt/Q× 100%                         (1)

式中：Qt為剩余電量；Q 為額定容量。

1.管理技術(shù)之保護

(1)請求關(guān)斷：

SOC處于或接近邊界條件時，檢測板塊協(xié)同平衡板塊可以通過控制外部系統(tǒng)減少或停止使用電池組以達到目的。上述功能的實現(xiàn)，一般需要先檢測出的線性變化數(shù)值，然后發(fā)出開關(guān)信號指示，這些信號包括：放電電流限制（DCL）、充電電流限制（CCL）、下限限制（LLIM或LVL）以及上限限制（HLIM或HVL）。請求關(guān)斷控制原理如圖10所示：

           圖10                 

(2)直接關(guān)斷：

保護板塊會切斷電池電流以防電池組運行于安全區(qū)域外。保護板塊無須依靠其他系統(tǒng)，通過開關(guān)直接控制流經(jīng)其內(nèi)部的電流。無論BMS采用何種保護技術(shù)，必須保證其在最大電流和電壓時均能正常工作。直接關(guān)斷控制原理如圖11所示：

                                                                                         圖11

2.管理技術(shù)之均衡

由于生產(chǎn)問題或使用損耗等問題，電池組內(nèi)各電芯的電量存在差異，且若不加干涉其差異會隨著使用逐漸加大。而整個電池組的電量類似于“木桶原理”，由電池內(nèi)電量最小的電芯決定。因此，為了使每個電芯保持較好的一致性，就要對電芯進行均衡，盡可能使所有電芯的電量趨于一致。

均衡技術(shù)使得單體電池均衡充放電達到均衡一致的狀態(tài)，常見的有主動均衡技術(shù)和被動均衡技術(shù)。其中被動均衡技術(shù)一般采用電阻放電，電路簡單可靠，可以有效解決電池不一致的問題，但是這種均衡技術(shù)屬于耗散型均衡，存在能源浪費的弊端。

主動均衡是通過削峰填谷、能量轉(zhuǎn)移的方式來實現(xiàn)均衡的，其均衡技術(shù)主要有四種，即電容均衡、電感均衡、變壓器均衡以及DC-DC均衡。主動均衡具備電能利用率高以及均衡見效快等優(yōu)點，但是其均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高以及故障率高等困難，存在較高的技術(shù)壁壘。主動均衡和被動均衡策略如圖12所示：

              圖12

主、被動均衡技術(shù)優(yōu)劣勢對比如表2所示：

                                表2：主、被動均衡技術(shù)優(yōu)劣勢對比

                       （數(shù)據(jù)來源：《大規(guī)模鋰離子電池管理系統(tǒng)》）

3.管理技術(shù)之熱管理

由于電池材料的固有屬性（特別是鋰離子電池），溫度過高或過低都會對其正常使用產(chǎn)生影響。電池的溫度過高會危害電池網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可靠性，減少電池的使用年限。工作溫度過低會減少電池原材料活力、可用容積和電池效率。具體來講熱管理系統(tǒng)主要通過三種形式的熱量管理形式來進行熱量管理，即預(yù)熱、散熱和溫度均衡。

預(yù)熱是指在檢測到電池溫度低于指定值時給電池加熱，避免電池在低溫狀態(tài)下的正常性能不能發(fā)揮以及安全事故的發(fā)生。具體而言，對低溫狀態(tài)下的電池充電電池進行充電容易造成內(nèi)部短路，因為電池容量在低溫狀態(tài)下會衰減致較低水平，此時直接充電有一定概率會導(dǎo)致瞬間的電壓過充問題；與此對應(yīng)的是，低溫環(huán)境下的電池放電能力也會受到限制，因此，在一定程度的低溫狀態(tài)下，有必要對電池進行加熱或保溫。

散熱是指在電池溫度較高時對其有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故。由于生產(chǎn)問題以及使用損耗等問題可能造成電池局部過熱，進而引起一系列連鎖放熱反應(yīng)，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)各類熱失控事件。根據(jù)提供的能量來源不同，散熱可分為被動式和主動式兩種冷卻方式；根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同，散熱也可分為冷風(fēng)、液冷和PCM（相變材料）三種冷卻形式。冷風(fēng)冷卻系統(tǒng)工作原理如圖13所示：

圖13

液冷冷卻系統(tǒng)工作原理如圖14所示：

                                                              圖14

溫度均衡指減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，提高電池組整體壽命。電池的適宜溫度約在20~30℃之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。

（三）評價技術(shù)

BMS的評價功能板塊包括對荷電狀態(tài)和荷電深度（Depth of discharge，DOD）這兩個指標(biāo)的評價，根據(jù)SOC和DOD的數(shù)值可估算出電池的剩余使用時間及剩余駕駛里程。但以現(xiàn)有技術(shù)手段仍無法實現(xiàn)直接測量電池組的SOC，目前只有兩種估算方式，即電壓轉(zhuǎn)換和電流積分。電壓轉(zhuǎn)換是基于電池材料的固有特性，在電池放電過程中，電池電壓與電量存在一定的線性關(guān)系，因此在電池電量的特定階段可以通過電壓量來轉(zhuǎn)換得到電池電量，但由于其電壓與電池電量并非完全為線性對應(yīng)關(guān)系，其估算準(zhǔn)確率不高。因此，電壓轉(zhuǎn)換的方法幾乎不會單獨應(yīng)用于實踐。

電流積分也叫庫倫計數(shù)，指對電池電流進行積分，從而得到其荷電量的相對值。庫倫計數(shù)的方式能夠非常精確地轉(zhuǎn)換出電池電量，但有兩個限制條件：

1、單元電池漏電流不流經(jīng)電流傳感器，因此不參與計算；

2、電池電流的測量漂移將會導(dǎo)致SOC隨時間上升/下降。

庫倫計數(shù)非常適用于鋰離子電池，因為其漏電流程度很低。由于鉛酸單體電池所屬材料體系，電池電壓在放電過程中呈現(xiàn)線性降低，因此可以考慮使用電壓表作為表征SOC的指示器；實踐中，會通過技術(shù)級聯(lián)，即將庫倫計數(shù)和電壓轉(zhuǎn)換兩種方式結(jié)合，為實現(xiàn)對電池DOD的估計提供了一個合理的解決方案。積分計算結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換估算DOD的坐標(biāo)示意圖如圖15：

                                                                   圖15

企業(yè)資料庫：

開步睿思RESI是基于分流器的電流傳感器制造商，從分流器原材料到電流傳感器的全過程都在內(nèi)部實現(xiàn)。開步睿思通過全產(chǎn)業(yè)鏈的高度自動化生產(chǎn)，為客戶批量供應(yīng)多樣化的產(chǎn)品，同時為客戶輸出測試測量方案，甚至包括自動化的測試測量設(shè)備來滿足用戶高效測量標(biāo)定的需求。

CB系列電流傳感器由開步先進測量中心（AMC）研發(fā)。AMC由一批資深的行業(yè)專家組成，在材料，硬件，算法，自動化，可靠性等方面均具有多年經(jīng)驗。開步睿思的階段性目標(biāo)是通過自主核心技術(shù)滿足最為苛刻的精密電流測量需求，開發(fā)從幾十安培到上萬安培的電流傳感器，全面滿足新能源汽車，儲能，光伏，工業(yè)，測試測量等精密電流測量需求。

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參考文獻

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