动力电池BMS详细讲解

BMS英文名称BatteryManagement System，中文名称动力电池管理系统，对电池进行监控和管理的系统，通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护，提升电池综合性能的管理系统，是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。BMS实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息，与外部设备如整车控制器交换信息，解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。主要作用是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。通俗的讲，就是一套管理、控制、使用电池组的系统。

一、BMS的基本功能

BMS主要实现电池状态检测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理、电池信息管理等五个基本功能。

1、状态监测

实时采集电池充放电状态。采集的数据有电池总电压、电池总电流、每包电池测点温度以及单体模块电池电压等。

2、状态分析

电池剩余能量相当于传统车的油量。为了让司机及时了解SOC，系统应即时采集充放电电流、电压等参数，通过相应的算法进行SOC的估计。

电池老化程度俗称SOH，全名叫做State of Health的缩写，Health就是类似于人的一个概念，人Death，或者人生病了，Death是指电池的失效，无法工作，生病是指电池的能力弱化，性能恶化。目前大多通过故障向量信息表征电池是否失效，不工作，可以理解为故障诊断的范畴，电池能力的弱化就类似于人的生病，所发出的电量与吸收的电量变少，其电化学的机理为，正负极锂离子嵌入，脱嵌的能力变弱，SEI增厚，迁移阻力增加等！

3、安全保护

根据电池的电流、电压、温度信息，计算电池的功率与电流限值，同时在发生严重的过流、过充过放、过温问题时，及时报警，并进行相应地故障处理。

4、能量控制管理

充电放电时进行合理的电流控制，防止出现过充过放故障。在单体间电池SOC出现一定程度的差别时进行均衡，提高整车的行驶里程，防止出现安全问题。

5、电池信息管理

将电池的主要信息如电流、电压、温度、SOC、SOH、续驶里程等值发送的整车的仪表，告知驾驶员。同时在电池出现故障或即将出现故障时，提醒驾驶员。

二、BMS的基本架构

下图为BMS在电池在电池包中的架构分布，及与BDU、电池包的交互关系。

BMS 硬件的拓扑结构分为集中式和分布式两种类型：

(1)集中式是将所有的电气部件集中到一块大的板子中，采样芯片通道利用最高且采样芯片与主芯片之间可以采用菊花链通讯，电路设计相对简单，产品成本大为降低，只是所有的采集线束都会连接到主板上，对BMS的安全性提出更大挑战，并且菊花链通讯稳定性方面也可能存在问题。比较合适电池包容量比较小、模组及电池包型式比较固定的场合。

(2)分布式包括主板和从板，可能一个电池模组配备一个从板，这样的设计缺点是如果电池模组的单体数量少于12个会造成采样通道浪费(一般采样芯片有12个通道)，或者2-3个从板采集所有电池模组，这种结构一块从板中具有多个采样芯片，优点是通道利用率较高，节省成本，系统配置的灵活性，适应不同容量、不同规格型式的模组和电池包。

硬件的设计和具体选型要结合整车及电池系统的功能需求，通用的功能主要包括采集功能(如电压、电流、温度采集)、充电口检测(CC和CC2)和充电唤醒(CP和A+)、继电器控制及状态诊断、绝缘检测、高压互锁、碰撞检测、CAN通讯及数据存储等要求。

（1）主控制器

处理从控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报信息判断和控制动力电池运行状态，实现BMS相关控制策略，并作出相应故障诊断及处理。

(2)高压控制器

实时采集并上报动力电池总电压、电流信息，通过其硬件电路实现按时积分，为主板计算荷电状态（State of Charge，SOC）、健康状态（State of Health，SOH）提供准确数据，同时可实现预充电检测和绝缘检测功能。

(3)从控制器

实时采集并上报动力电池单体电压、温度信息，反馈每一串电芯的SOH和SOC，同时具备被动均衡功能，有效保证了动力使用过程中电芯的一致性。

(4)采样控制线束

为动力电池各种信息采集和控制器间信息交互提供硬件支持，同时在每一根电压采样线上增加冗余保险功能，有效避免因线束或管理系统导致的电池外短路。

3、通讯方式

采样芯片和主芯片之间信息的传递有CAN通讯和菊花链通讯两种方式，其中CAN通讯最为稳定，但由于需要考虑电源芯片，隔离电路等成本较高，菊花链通讯实际上是SPI通讯，成本很低，稳定性方面相对较差，但是随着对成本控制压力越来越大，很多厂家都在向菊花链的方式转变，一般会采用2条甚至更多菊花链来增强通讯稳定性。

4、结构

BMS硬件包括电源IC、CPU、采样IC、高驱IC、其他IC部件、隔离变压器、RTC、EEPROM和CAN模块等。其中CPU是核心部件，一般用的是英飞凌的TC系列，不同型号功能有所差异，对于AUTOSAR架构的配置也不同。采样IC厂家主要有凌特、美信、德州仪器等，包括采集单体电压、模组温度以及外围配置均衡电路等

根据管理架构分类，BMS产品主要有三种类型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。

集中式

首先是第一类，集中式，也叫一体式

集中式呢就是将整个BMS封装在一个装置内，甩出来导线接到导体电池上。

如图所示

他的优点非常明显，

首先是结构紧凑，往往就是一个盒子

然后价格也比较便宜

还有就是维护比较简单，往往整体更换就可以。

但是也会有不足，

首先就是扩展性差，一个产品定型了想要扩展就得重新设计，

其次呢就是安全隐患，因为线束过多过长，就会造成一系列的安全隐患问题。

模块式

接下来一种是模块式

他与集中式的BMS很相似，但是模块式的BMS被分成很多相同的子模块，每个封装的导线连接整个电池板内部不同的部位吗，监测某一块区域，我们说是功能相同的模块，但是其实也会有一个模块被分配作为主模块，用来管理调度整个电池包并且负责跟外界通讯。其他的从BMS就通过通讯总线来跟主BMS进行通讯，但是他们之间的功能是一样的。

它的优势在于：

1，因为它是相当于将集中的BMS小型化，多个级联，所以拥有集中式的大多数优势，比如说维护方便，价格便宜等等

2，由于单个模块的规模较小，所以子模块到单体电池的导线就会相对较短，可以离电池更近，这样就避免了过长的导线带来的隐患和误差。

3，它还易于扩展，同归哦增加更多的子模块来实现扩展

但是它也有一些缺点，

首先就是需要增加额外的导线，相比于集中式，模块式步进需要跟电池组连接，每个模块之间也需要导线连接。

其次呢，就是成本较高，主要的原因是每个模块的功能是一样的，但是并不是所有的功能都会用到，这就造成了浪费，尤其是从属模块，其实用到的功能并不多

其实我们看到这里也感觉这种结构不是特别合理，于是就有了改进版。

主从式

其实我们看到这里也感觉这种结构不是特别合理，于是就有了改进版。我们把模块按照主从功能不同分开

将从模块用不到的功能去掉，这样就能减少一大笔成本。

主BMS负责的功能相对较多，有计算，预测，决策，通信等，从单元呢，基本上就是只负责测量。这样呢，它可以说是继承了大部分模块式结构的优点，同时还减少了扩展的成本。

分布式

还有一种拓扑结构，跟我们前边讲的略微不同，叫做分布式

在前边的几种拓扑结构中，各种电子设备都不会安装在单体电池上，基本上都是通过甩线过去测量。

但是在分布式系统中，我们的测量单元和其他的电子设备直接安装到和单体电池一体的电路板中，这样的好处是与前边几个相比，BMS与单体电池之间的连线基本上被消灭了。

然后呢跟主从式有点像的是它也会有一个控制器来负责运算，预测，决策等工作。模块之间基于总线进行通讯。在汽车上，我们一般用的就是CAN总线了。

我们的每个单元里边都包含了采集回路，带CAN总线的MCU，可以直接通过总线通讯来收发信息。

它的优势自然是有很多：

首先就是拥有极高的扩展性，可以精细到单体电池的扩展。

其次呢就是连接可靠性高，基本上没有什么过长的线缆，电池和测量电路结合紧密，也减小了干扰和误差。安全性也很高。

同时也易于维护，哪里坏了的话只需要更换一个很小的单元。

但是也会有一些不足：

比如说首先就是成本很高，因为每个单体都增加了一套设备，所以整体算下来成本是很高的。

其次就是体积过大，这个也很好理解，每一个电池的每一个单体的旁边都有一套测量系统，会影响整个电池板的体积。

三、BMS的基本控制

一个完整、合理的BMS控制方法，才能保证动力电池安全可靠地实现其最优的性能并保证最长的使用寿命，BMS主要控制方法有如下几种：

1、工作模式控制

BMS一般具有以下5种工作模式

A、下电模式

下电模式是整个系统的低压与高压部分处于不工作状态的模式。在下电模式下，BMS控制的所有高压接触器均处于断开状态；低压控制电源处于不供电的状态。下电模式属于省电模式。

B、待机模式

BMS在此模式下不处理任何数据，能耗极低，能快速启动。准备模式下，系统所有的接触器均处于未吸合状态。在该模式下，系统可接受外界的点火锁、整车控制器、电机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受CAN报文控制的低压信号来驱动各高压接触器，从而使BMS进入所需工作模式。

C、放电模式

BMS在待机模式下检测放电WAKEUP信号后，接收车辆控制器（Vehicle Control Unit，VCU）发来的动力电池运行状态指令和接触器的动作指令，并执行相关指令，完成BMS上电及预充电流程，进入放电模式。

当BMS检测到点火锁的高压上电信号Key_ST信号后，系统将首先闭合B-接触器。由于电机是一感性负载，为防止过大的电流冲击，B-接触器闭合后，即闭合预充接触器进入预充电状态；当预充电容两端电压达到母线电压的95%时，立即闭合B+接触器并断开预充接触器进入放电模式。目前轿车常用的低压电源由12V铅酸蓄电池提供，不仅可为低压控制系统供电，还为转向电机、雨刮电机、安全气囊及后视镜驱动电机等提供电源。为保证低压蓄电池能持续为整车控制系统供电，低压蓄电池需有充电电源，而直流转换接触器的开启即可满足这一需求。因此，当电池系统处于放电状态时，打开B+接触器后即闭合直流转换接触器，以保证低压电源持续供电。

D、充电模式

BMS在待机模式下检测充电WAKEUP信号后，接收VCU发来的动力电池运行状态指令和接触器的动作指令，并执行相关指令，完成BMS充电流程，进入充电模式，同时与车载充电机通讯。当BMS检测充电唤醒信号Charge Wake Up时，系统即进入充电模式。在该模式下B-接触器与车载充电接触器闭合，同时为保证低压控制电源持续供电，直流转换接触器处于工作状态。充电模式下，系统不响应点火锁发出的任何指令，充电插头发出的充电唤醒信号可作为判定为充电模式的依据。磷酸铁锂电池在低温下不具有很好的充电特性，低温下对锂电池充电有一定的危险性。基于安全的考虑，还应在系统进入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度低于0时，系统进入充电预热模式，此时可通过接通直流转换接触器对低压蓄电池供电，同时可用预热装置对电池模组预热；当电池包内的温度达到并超过0时，系统可进入充电模式，即闭合B-接触器。

E、故障模式

BMS在任何模式下检测到故障，均进入故障模式，同时上报VCU故障状态和相关故障代码。故障模式是控制系统中常出现的一种状态。由于车用电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各种相应模式总是采取安全第一的原则。BMS对于故障的响应还需根据故障等级而定，当其故障级别较低时，系统可采取报错或发出轻微报警信号的方式告知驾驶人员；而当故障级别较高，甚至伴随有危险时，系统采取直接断开高压接触器的控制策略。电压蓄电池是整车控制系统的供电来源，无论是处于充电模式、放电模式还是故障模式，直流转换接触器的闭合都可使得低压蓄电池处于充电模式，从而提供接连不断的低压电力供应。

2、预充电控制方法

BMS在上电状态下检测到VCU发来预充使能信号后，闭合预充电相关接触器，并反馈接触器状态，同时检测动力母线电压，与动力电池电压比较，当动力母线电压达到合理条件时吸合主正接触器，切断预充回路，完成预充电流程。

3、充放电控制方法

通过分析电芯充放电功率特性，并结合动力电池在不同环境、不同工况下的充放电能力，提出合理的充放电条件及阀值。分别从放电电流、电压、温度控制，充电电流、电压、温度控制，以及总电压上限、总电压下限、单体电压上限、单体电压下限、电流上限、电流下限、温度上限、温度下限和绝缘等方面控制电池充放电，同时每个控制阀值均具有二级冗余保护，提高动力电池充放电安全性。

根据环境温度、动力电池SOH、SOC及可充电功率等不同维度控制动力电池快速充电条件及阀值。

4、热管理控制方法

根据BMS从控制器上报的环境温度和动力电池温度信息，充分评估动力电池可充放电能力，控制开启、关闭相关加热冷却装置。常用热管理系统为风冷，模式分为充电热管理和放电热管理，冷却功能具有两个挡位：电池热管理、空调一体化热管理，其中电池热管理单一启动动力电池内部冷却装置，空调一体化热管理同时开启整车空调和动力电池内部冷却装置。

5、SOC估算及修正方法

通过高精度电流传感器对电流进行采样并积分，基本计算方法如下：

式中：

SOC0为初始时刻的SOC；

CN为电池额定容量；

I为电池充放电电流，

η为电池充放电效率。

由于车辆行驶工况较为复杂，电流采用精度有限，加之温度变化对电池容量变化的影响，SOC计算很难计算准确，所以产生了以下几种修正策略。

开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）修正：根据不同温度下电池单体电压与SOC关系模型估算当前SOC。下图是常温（25℃）下的OCV修正模型。

A、SOC动态修正

结合车辆不同工况，在不同温度下建立动力电池充放电状态下单体电压与SOC的关系模型，估算当前SOC。下图是不同温度下的SOC动态修正模型。

B、充电修正

基于SOC动态修正，在相对稳定的充电工况下，通过建立动力电池单体电压与SOC的关系模型估算当前SOC。下图是常温（25℃）下的充电修正模型。

6、故障诊断方法

随着车辆长期行驶，动力电池短路、开路、电性能下降、过充过放电及通风系统不畅等现象均可能出现，所以合理的故障诊断机制尤为重要。通过BMS监控及电气系统硬件匹配，合理识别有效故障，并给出安全预警或保护策略，对于每个故障均具有三级冗余判断：轻微故障、严重故障、致命故障。

7、安全监控方法

安全监控通过相关软件代码实现对外部硬件电路和功能零部件的功能失效判断，其目的在于为动力电池增加一层软件冗余保护，从而使车辆更加安全可靠地行驶。具体内容如下图所示，通过对电压、电流、温度、时间、通讯等信息的监控，结合不同信息间的关系，由BMS处理并识别出潜在的失效模式。

四、BMS硬件设计

根据BMS的组成，系统硬件的设计主要包括数据采集、通信、安全控制、热管理等模块，接下来看看硬件设计。

1、数据采集电路设计

电压、电流测量准确度将直接影响到SOC估计的精度。下图为电压采样电路图。

母线正负极电压由L1、L2组成的初级滤波电路滤波后，经过R1、R2、R3、RP采样电路进行采样，之后通过基于LM258的放大电阻转化成0~5V电压，送往单片机的A/D端口。由于母线电压很高，系统中加入了由D1、D2组成的保护电路，以保证单片机安全工作。

对电池单体电压进行采样时，必须对地进行隔离。本设计中，使用AQW214EH光控MOS管开关实现对电池单体进行循环采样，在任意时刻，都只采集一个单体电压。不但提高了系统的可靠性，而且降低了成本。电流的采样通过霍尔电流传感器实现。输出的信号经分压、比较、放大后进入MCU进行处理。

2、通信模块设计

与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而在汽车电子中得到了广泛的应用。系统的微处理器PIC18F4585带有CAN控制器，同时以PAC82C250芯片为CAN总线收发器，BMS通过CAN与整车控制器（VCU)等其他控制模块进行通信。为保证通信质量，在CAN收发器与微控制器之间加入了6N137芯片进行光耦隔离，同时CAN专用电源对信号地和模拟地进行了隔离。此外，为了方便对系统进行参数调试，预留了UART端口与计算机进行通信。

3、安全控制模块设计

电动汽车动力电池总电压一般在300V以上，因此必须设计安全控制模块，安全控制模块如下图所示。

在电池接入车辆前，系统使预加电传感器闭合，将一个大电阻R通过预加电继电器接入电池母线，并检测其他参数，确保车辆运行正常后再断开预加电继电器，闭合母线继电器，将电池直接接入车辆。

漏电流霍尔传感器用来检测系统漏电故障。将正负母线同时穿过霍尔传感器，若系统发生漏电故障，则通过正负母线的电流代数和不为0，霍尔传感器输出电流信号。本系统中，设定当电流信号大于25mA时，漏电检测电路向CPU发送中断请求。CPU响应中断，切断母线继电器，并将故障信息发送给整车控制器（VCU)。

4、热管理模块设计

电池包的位置及外部条件都可能导致不均匀的温度分布。温度分布不均会引起电池单体之间的电压不均衡，从而影响电池及整车的性能。电池温度平衡的主要方法是通风处理和使用散热板，采用有限元方法对并行通风和串行通风进行分析，结果表明并行通风的效果要明显高于串行通风，热管理模块如下图所示。

在电池包的不同位置共安置了6个数字温度传感器DS18B20。每隔1s，系统就通过总线对DS18B20进行采样，当检测到任一点的温度或者温度变化率高于设定值时，启动变速风机。仅当所有点的温度及其变化率都低于设定值时，停止变速风机。

这种热管理模式一般用在风冷的电池上面。例如本田的immd混动车辆。纯电动的车辆一般采用液冷方式，这时水泵和空调阀体一般由整车控制器实现，BMS只是上报它的温度和热管理需求。

5、硬件抗干扰设计

汽车其他设备和充电时的强电磁干扰，会使BMS出现大量数据误采集情况。因此采取以下防干扰措施：

A、在电池包和汽车之间以及BMS电源接口电路中接入高频滤波旁路电容，消除共模干扰；

B、子板和模板之间加入高速数字隔离器ISO721，防止子板的过电压对母板的冲击。

五、仿真及测试分析

1、BMS控制方法软件仿真测试

在软件中写入相关测试代码，验证BMS能否按提出的控制方法实现控制和保护功能，并验证BMS对数据的处理和故障的诊断是否正常。下表是BMS控制方案的相关测试。

根据上述软件仿真及测试结果，BMS控制方法均可实现，为后期匹配动力电池试验验证提供可靠支撑。