“BMS”

電池管理系統(tǒng)

要做好電池管理

就必須有一套好的管理系統(tǒng)

就像要有下面這位小姐姐這樣的好身材

就得有保持和維護計劃

怎么保持呢

？？？

當然是從飲食、休息、運動等各方面來進行管理

動力電池也是

需要從

”電量管理“

”充放電“

”能量回收“

等等

各個方面來管理

那么

對于新能源汽車

BMS如此重要

今天

漫談君就和大家聊一聊

動力電池管理系統(tǒng)（BMS）策略與開發(fā)方法

一直以來，電動汽車沒有發(fā)展起來的原因就是電池，電池的瓶頸太大，現(xiàn)有技術(shù)無法保證續(xù)航里程，其實最早發(fā)展的是電動車，比燃油車更早，但因為續(xù)航的原因，在100多年前，電動車胎死腹中，直到近些年，能量密度的提升特別是BMS的出現(xiàn)，也就是BMS的出現(xiàn)，使得純電動汽車有了跨越式的發(fā)展。

BMS英文名稱BatteryManagement System，中文名稱動力電池管理系統(tǒng)，對電池進行監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，通過對電壓、電流、溫度以及SOC等參數(shù)采集、計算，進而控制電池的充放電過程，實現(xiàn)對電池的保護，提升電池綜合性能的管理系統(tǒng)，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。

實時采集電池充放電狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)有電池總電壓、電池總電流、每包電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等。

電池剩余能量相當于傳統(tǒng)車的油量。為了讓司機及時了解SOC，系統(tǒng)應即時采集充放電電流、電壓等參數(shù)，通過相應的算法進行SOC的估計。

根據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對電池的充放電。若某個參數(shù)超標，如單體電池電壓過高或過低，為保證電池組的正常使用及性能的發(fā)揮，系統(tǒng)將切斷繼電器，停止電池的能量供給。

實時采集每包電池測點溫度，通過對散熱風扇的控制防止電池溫度過高。

由于每塊電池個體的差異以及使用狀態(tài)的不同等原因，因此電池在使用過程中不一致性會越來越嚴重。系統(tǒng)應能判斷并自動進行均衡處理。

通過對電池參數(shù)的采集，系統(tǒng)具有預測電池性能、故障診斷和提前報警等功能。

電池的主要信息在車載顯示終端進行實時顯示。

由于不同的車型使用的電池類型、數(shù)量、電池包大小和數(shù)量不同，因此系統(tǒng)應具有對車型、車輛編號、電池類型和電池模式等信息標定的功能。BMS通過RS232接口與上位機標定軟件進行通信來實現(xiàn)。

根據(jù)整車CAN通信協(xié)議，與整車其他系統(tǒng)進行信息共享。

在純電動汽車中將動力電池分組串并聯(lián)形成整車高壓電源為整車提供動力源。

BMS主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：

從整車角度考慮，設計BMS采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和在車上的布置情況如下圖所示。系統(tǒng)中在每個電池包中布置電池測控模塊，各個電池測控模塊通過485總線與BMS中央控制器連接在一起形成整個系統(tǒng)。BMS中央控制器同時通過RS232總線將監(jiān)控信息發(fā)送到信息顯示器，通過CAN總線接口與整車控制系統(tǒng)進行通信。

對于分布式BMS，由1個主控制器、1個高壓控制器、2個從控制器及相關采樣控制線束組成，通過CAN總線實現(xiàn)各控制器間信息交互，如下圖所示。

處理從控制器和高壓控制器上報的信息，同時根據(jù)上報信息判斷和控制動力電池運行狀態(tài)，實現(xiàn)BMS相關控制策略，并作出相應故障診斷及處理。

實時采集并上報動力電池總電壓、電流信息，通過其硬件電路實現(xiàn)按時積分，為主板計算荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）提供準確數(shù)據(jù)，同時可實現(xiàn)預充電檢測和絕緣檢測功能。

實時采集并上報動力電池單體電壓、溫度信息，反饋每一串電芯的SOH和SOC，同時具備被動均衡功能，有效保證了動力使用過程中電芯的一致性。

為動力電池各種信息采集和控制器間信息交互提供硬件支持，同時在每一根電壓采樣線上增加冗余保險功能，有效避免因線束或管理系統(tǒng)導致的電池外短路。

一個完整、合理的BMS控制方法，才能保證動力電池安全可靠地實現(xiàn)其最優(yōu)的性能并保證最長的使用壽命，BMS主要控制方法有如下幾種：

BMS具有以下5種工作模式

A、下電模式

下電模式是整個系統(tǒng)的低壓與高壓部分處于不工作狀態(tài)的模式。在下電模式下，BMS控制的所有高壓接觸器均處于斷開狀態(tài)；低壓控制電源處于不供電的狀態(tài)。下電模式屬于省電模式。

B、待機模式

BMS在此模式下不處理任何數(shù)據(jù)，能耗極低，能快速啟動。準備模式下，系統(tǒng)所有的接觸器均處于未吸合狀態(tài)。在該模式下，系統(tǒng)可接受外界的點火鎖、整車控制器、電機控制器、充電插頭開關等部件發(fā)出的硬線信號或受CAN報文控制的低壓信號來驅(qū)動各高壓接觸器，從而使BMS進入所需工作模式。

C、放電模式

BMS在待機模式下檢測放電WAKEUP信號后，接收車輛控制器（Vehicle Control Unit，VCU）發(fā)來的動力電池運行狀態(tài)指令和接觸器的動作指令，并執(zhí)行相關指令，完成BMS上電及預充電流程，進入放電模式。

當BMS檢測到點火鎖的高壓上電信號Key_ST信號后，系統(tǒng)將首先閉合B-接觸器。由于電機是一感性負載，為防止過大的電流沖擊，B-接觸器閉合后，即閉合預充接觸器進入預充電狀態(tài)；當預充電容兩端電壓達到母線電壓的95%時，立即閉合B+接觸器并斷開預充接觸器進入放電模式。目前轎車常用的低壓電源由12V鉛酸蓄電池提供，不僅可為低壓控制系統(tǒng)供電，還為轉(zhuǎn)向電機、雨刮電機、安全氣囊及后視鏡驅(qū)動電機等提供電源。為保證低壓蓄電池能持續(xù)為整車控制系統(tǒng)供電，低壓蓄電池需有充電電源，而直流轉(zhuǎn)換接觸器的開啟即可滿足這一需求。因此，當電池系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，打開B+接觸器后即閉合直流轉(zhuǎn)換接觸器，以保證低壓電源持續(xù)供電。

D、充電模式

BMS在待機模式下檢測充電WAKEUP信號后，接收VCU發(fā)來的動力電池運行狀態(tài)指令和接觸器的動作指令，并執(zhí)行相關指令，完成BMS充電流程，進入充電模式，同時與車載充電機通訊。當BMS檢測充電喚醒信號Charge Wake Up時，系統(tǒng)即進入充電模式。在該模式下B-接觸器與車載充電接觸器閉合，同時為保證低壓控制電源持續(xù)供電，直流轉(zhuǎn)換接觸器處于工作狀態(tài)。充電模式下，系統(tǒng)不響應點火鎖發(fā)出的任何指令，充電插頭發(fā)出的充電喚醒信號可作為判定為充電模式的依據(jù)。磷酸鐵鋰電池在低溫下不具有很好的充電特性，低溫下對鋰電池充電有一定的危險性。基于安全的考慮，還應在系統(tǒng)進入充電模式之前對系統(tǒng)進行一次溫度判別。當電池溫度低于0時，系統(tǒng)進入充電預熱模式，此時可通過接通直流轉(zhuǎn)換接觸器對低壓蓄電池供電，同時可用預熱裝置對電池模組預熱；當電池包內(nèi)的溫度達到并超過0時，系統(tǒng)可進入充電模式，即閉合B-接觸器。

E、故障模式

BMS在任何模式下檢測到故障，均進入故障模式，同時上報VCU故障狀態(tài)和相關故障代碼。故障模式是控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)的一種狀態(tài)。由于車用電池的使用關系到用戶的人身安全，因而系統(tǒng)對于各種相應模式總是采取安全第一的原則。BMS對于故障的響應還需根據(jù)故障等級而定，當其故障級別較低時，系統(tǒng)可采取報錯或發(fā)出輕微報警信號的方式告知駕駛?cè)藛T；而當故障級別較高，甚至伴隨有危險時，系統(tǒng)采取直接斷開高壓接觸器的控制策略。電壓蓄電池是整車控制系統(tǒng)的供電來源，無論是處于充電模式、放電模式還是故障模式，直流轉(zhuǎn)換接觸器的閉合都可使得低壓蓄電池處于充電模式，從而提供接連不斷的低壓電力供應。

BMS在上電狀態(tài)下檢測到VCU發(fā)來預充使能信號后，閉合預充電相關接觸器，并反饋接觸器狀態(tài)，同時檢測動力母線電壓，與動力電池電壓比較，當動力母線電壓達到合理條件時吸合主正接觸器，切斷預充回路，完成預充電流程。

通過分析電芯充放電功率特性，并結(jié)合動力電池在不同環(huán)境、不同工況下的充放電能力，提出合理的充放電條件及閥值。分別從放電電流、電壓、溫度控制，充電電流、電壓、溫度控制，以及總電壓上限、總電壓下限、單體電壓上限、單體電壓下限、電流上限、電流下限、溫度上限、溫度下限和絕緣等方面控制電池充放電，同時每個控制閥值均具有二級冗余保護，提高動力電池充放電安全性。

根據(jù)環(huán)境溫度、動力電池SOH、SOC及可充電功率等不同維度控制動力電池快速充電條件及閥值。

根據(jù)BMS從控制器上報的環(huán)境溫度和動力電池溫度信息，充分評估動力電池可充放電能力，控制開啟、關閉相關加熱冷卻裝置。常用熱管理系統(tǒng)為風冷，模式分為充電熱管理和放電熱管理，冷卻功能具有兩個擋位：電池熱管理、空調(diào)一體化熱管理，其中電池熱管理單一啟動動力電池內(nèi)部冷卻裝置，空調(diào)一體化熱管理同時開啟整車空調(diào)和動力電池內(nèi)部冷卻裝置。

通過高精度電流傳感器對電流進行采樣并積分，基本計算方法如下：

式中：

SOC0為初始時刻的SOC；

CN為電池額定容量；

I為電池充放電電流，

η為電池充放電效率。

由于車輛行駛工況較為復雜，電流采用精度有限，加之溫度變化對電池容量變化的影響，SOC計算很難計算準確，所以產(chǎn)生了以下幾種修正策略。

開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）修正：根據(jù)不同溫度下電池單體電壓與SOC關系模型估算當前SOC。下圖是常溫（25℃）下的OCV修正模型。

A、SOC動態(tài)修正

結(jié)合車輛不同工況，在不同溫度下建立動力電池充放電狀態(tài)下單體電壓與SOC的關系模型，估算當前SOC。下圖是不同溫度下的SOC動態(tài)修正模型。

B、充電修正

基于SOC動態(tài)修正，在相對穩(wěn)定的充電工況下，通過建立動力電池單體電壓與SOC的關系模型估算當前SOC。下圖是常溫（25℃）下的充電修正模型。

隨著車輛長期行駛，動力電池短路、開路、電性能下降、過充過放電及通風系統(tǒng)不暢等現(xiàn)象均可能出現(xiàn)，所以合理的故障診斷機制尤為重要。通過BMS監(jiān)控及電氣系統(tǒng)硬件匹配，合理識別有效故障，并給出安全預警或保護策略，對于每個故障均具有三級冗余判斷：輕微故障、嚴重故障、致命故障。

安全監(jiān)控通過相關軟件代碼實現(xiàn)對外部硬件電路和功能零部件的功能失效判斷，其目的在于為動力電池增加一層軟件冗余保護，從而使車輛更加安全可靠地行駛。具體內(nèi)容如下圖所示，通過對電壓、電流、溫度、時間、通訊等信息的監(jiān)控，結(jié)合不同信息間的關系，由BMS處理并識別出潛在的失效模式。

根據(jù)BMS的組成，系統(tǒng)硬件的設計主要包括數(shù)據(jù)采集、通信、安全控制、熱管理等模塊，接下來看看硬件設計。

電壓、電流測量準確度將直接影響到SOC估計的精度。下圖為電壓采樣電路圖。

母線正負極電壓由L1、L2組成的初級濾波電路濾波后，經(jīng)過R1、R2、R3、RP采樣電路進行采樣，之后通過基于LM258的放大電阻轉(zhuǎn)化成0~5V電壓，送往單片機的A/D端口。由于母線電壓很高，系統(tǒng)中加入了由D1、D2組成的保護電路，以保證單片機安全工作。

對電池單體電壓進行采樣時，必須對地進行隔離。本設計中，使用AQW214EH光控MOS管開關實現(xiàn)對電池單體進行循環(huán)采樣，在任意時刻，都只采集一個單體電壓。不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且降低了成本。電流的采樣通過霍爾電流傳感器實現(xiàn)。輸出的信號經(jīng)分壓、比較、放大后進入MCU進行處理。

與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因而在汽車電子中得到了廣泛的應用。系統(tǒng)的微處理器PIC18F4585帶有CAN控制器，同時以PAC82C250芯片為CAN總線收發(fā)器，BMS通過CAN與整車控制器（VCU)等其他控制模塊進行通信。為保證通信質(zhì)量，在CAN收發(fā)器與微控制器之間加入了6N137芯片進行光耦隔離，同時CAN專用電源對信號地和模擬地進行了隔離。此外，為了方便對系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)試，預留了UART端口與計算機進行通信。

電動汽車動力電池總電壓一般在300V以上，因此必須設計安全控制模塊，安全控制模塊如下圖所示。

在電池接入車輛前，系統(tǒng)使預加電傳感器閉合，將一個大電阻R通過預加電繼電器接入電池母線，并檢測其他參數(shù)，確保車輛運行正常后再斷開預加電繼電器，閉合母線繼電器，將電池直接接入車輛。

漏電流霍爾傳感器用來檢測系統(tǒng)漏電故障。將正負母線同時穿過霍爾傳感器，若系統(tǒng)發(fā)生漏電故障，則通過正負母線的電流代數(shù)和不為0，霍爾傳感器輸出電流信號。本系統(tǒng)中，設定當電流信號大于25mA時，漏電檢測電路向CPU發(fā)送中斷請求。CPU響應中斷，切斷母線繼電器，并將故障信息發(fā)送給整車控制器（VCU)。

電池包的位置及外部條件都可能導致不均勻的溫度分布。溫度分布不均會引起電池單體之間的電壓不均衡，從而影響電池及整車的性能。電池溫度平衡的主要方法是通風處理和使用散熱板，采用有限元方法對并行通風和串行通風進行分析，結(jié)果表明并行通風的效果要明顯高于串行通風，熱管理模塊如下圖所示。

在電池包的不同位置共安置了6個數(shù)字溫度傳感器DS18B20。每隔1s，系統(tǒng)就通過總線對DS18B20進行采樣，當檢測到任一點的溫度或者溫度變化率高于設定值時，啟動變速風機。僅當所有點的溫度及其變化率都低于設定值時，停止變速風機。

汽車其他設備和充電時的強電磁干擾，會使BMS出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)誤采集情況。因此采取以下防干擾措施：

A、在電池包和汽車之間以及BMS電源接口電路中接入高頻濾波旁路電容，消除共模干擾；

B、子板和模板之間加入高速數(shù)字隔離器ISO721，防止子板的過電壓對母板的沖擊。

本設計采用模塊化的設計方法，以實現(xiàn)對動力電池的有效管理。從功能上將系統(tǒng)軟件設計分為初始化、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、SOC估計、CAN通信和中斷服務幾部分。軟件流程如下圖所示。

系統(tǒng)中斷響應服務程序包括過流、漏電等外部中斷服務，當預加電測試失敗或者電池電壓過高時，系統(tǒng)也會進入中斷響應，以保障車輛及乘員的安全。考慮到電動汽車車內(nèi)電磁環(huán)境較惡劣，本設計完全避免了使用多分支語句，以減少電磁干擾對系統(tǒng)的影響。通過RS232與上位機相連，以方便對系統(tǒng)參數(shù)進行標定，并觀測電壓、電流、溫度及SOC估計值等。

BMS電磁環(huán)境惡劣，極易受到各種電磁信號，如IGBT和功率二極管頻繁導通截止的干擾，直接影響數(shù)據(jù)采集的精度，降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對于該類干擾信號在硬件抗干擾外加以軟件濾波，不但能提高濾波效果，還能降低系統(tǒng)成本?？紤]到IGBT和功率二極管導通截止等干擾的頻率都在100Hz以上，本系統(tǒng)采用雙線性Z變換實現(xiàn)了一個二階巴特沃斯低通濾波器，以消除高頻干擾。

系統(tǒng)設計完成后，采用10節(jié)額定電壓為3.2V、標稱容量為50A·h的鋰電池封裝包進行周期性放電試驗。由于電壓、電流、溫度的真值難以確定，為了驗證本設計BMS的有效性和準確性，在周期性放電試驗的同時進行了基于d SPACE的硬件在環(huán)仿真測試試驗。本試驗中，將BMS測量的結(jié)果通過UART輸送到PC機與真值進行比較。下表給出了7組隨機采樣的電壓、電流、溫度的測試值、真值以及測量誤差。

由上表可知，該BMS電壓測量精度小于0.5%，電流測量精度小于0.5%，溫度誤差小于0.5%。測試表明，該BMS測量精度較高，功能完善，運行穩(wěn)定，能夠有效地提高鋰電池性能。

在軟件中寫入相關測試代碼，驗證BMS能否按提出的控制方法實現(xiàn)控制和保護功能，并驗證BMS對數(shù)據(jù)的處理和故障的診斷是否正常。下表是BMS控制方案的相關測試。

根據(jù)上述軟件仿真及測試結(jié)果，BMS控制方法均可實現(xiàn)，為后期匹配動力電池試驗驗證提供可靠支撐。

以熱管理系統(tǒng)為基礎，熱管理控制策略為依托，下圖所示，利用相關軟件進行熱管理仿真分析，研究電池組溫度分布趨勢，并針對某款動力電池不同倍率放電容量和溫升情況進行分析，見下表。

通過模擬動力電池溫度場分布，得出動力電池穩(wěn)態(tài)溫度分布，并根據(jù)熱管理相關控制方法，使動力電池在高倍率放電工況下仍能夠保證其放電容量，為動力電池在極限工況下的可靠運行提供數(shù)據(jù)支持。

對動力電池配備BMS控制方法的前后進行對比，根據(jù)QC/T743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》中相關測試方法開展動力電池組循環(huán)壽命試驗，通過動力電池單體一致性衡量此BMS控制方法的可行性。下圖是驗證控制方法時的曲線圖。由圖中數(shù)據(jù)分析，增加BMS控制方法后，在充電末期，單體電壓一致性取得了明顯的改善，同時電壓平臺也有所提升，即充放電容量有了一定的提升。

通過在控制方法中增加和減少動態(tài)SOC修正策略，得到在相同放電模式情況下的SOC估算精度，如下圖所示。

由上圖可知，在正常駕駛工況下的電流波動會導致SOC估算偏差較大；在沒有動態(tài)SOC修正的控制方案中，放電截止時對應的SOC為10%左右，而包含有動態(tài)SOC修正的控制方案中，在放電截止時SOC為0，這說明動態(tài)SOC修正策略對放電末期SOC估算起著至關重要的作用。在放電末期，準確的SOC估算可以避免駕駛員在車輛駕駛過程中被誤導而拋錨的情況。

BMS控制方法作為動力電池中心控制思想，直接影響動力電池的使用壽命及電動汽車的安全運行與整車性能。對續(xù)航具有重大的影響，決定著新能源汽車的未來，做好電池管理系統(tǒng)，將極大的促進新能源汽車的發(fā)展。