BMS技术

2.6 BMS技术
在电动汽车中，BMS是Battery Management System的缩写，中文名叫电池管理系统。

BMS的基本功能是测量、评估、管理、保护和警示。

测量功能主要是对电池的电压、电流和温度等参数实时进行检查，同时对电池系统绝缘电阻进行持续测量。

保护功能主要是指控制电池的电流、电压、温度等参数始终在允许的工作参数范围内。

管理功能有温度管理、电量管理、充电管理等。

警示功能，是指BMS通过CAN总线与整车控制器、充电机等进行实时通信，将电池的状态和故障进行警示。

电池管理系统的起因，是由于电池一旦发生过充过放就会损坏，严重情况下还会发生起火爆炸的安全事故。

因此，锂电池在使用中哪怕只是一节电池单独使用，也要配置电池管理系统。

而电池在成组使用时，更容易发生过充过放的现象这主要是电池在制造和使用过程中出现不一致造成的。

电池间的差异如果没有在过充过放中得到有效的控制，将进一步扩大，导致电池容量和寿命的急剧下降，最终引起试过的发生。

随着技术的发展，保护功能之外，发展出了电量管理和电池新旧程度的估算，充电管理使得同一充电桩可以充不同电压和容量的电池，温度管理是电池的使用温度范围更合理，适用于更多的应用环境和场合。

为了使一致性不太好或自放电率不太一致的电池能够长期免维护使用，均衡管理便得到了重视，并进入实用化。

进一步的研究还发现，在不同电池剩余电量和环境下，电池应采用不同的放点使用策略。

电池管理系统的警示功能，必须是在电池管理系统自动执行无法采取有效行动的情况下，警示给相关的人员去做分析判断。

比如SOC，电池管理系统由于无法知道距离目的地还有多远，因此无法要求停车充电或者返航等，只能报出数值让司机判断该采取什么措施。

比如绝缘损坏，电池管理系统无法自行修复，也只能报警。

而要将这些状态和故障报出，就必须通过CAN通信与整车控制器联系，进而出现到人机交互界面上。

当然，测量是这一切的基础。

现有技术的测量为总电流、单体电压、选择的温度监控点、部分BMS还输出总电压。

绝缘电阻是测量整个高压系统的，不单单是电池系统。

总电流的测量是过流和短路保护的依据，也是安时积分法估算SOC的基础。

单体电压的测量是过充过放的依据，也是电池一致性监控和均衡管理的原始数据。

温度测量主要是为了温度管理，其数据也能用于电池寿命分布估算，或者热失控等安全事故的预警。

总电压的测量对于BMS 来说意义不大，因为总电压可以由所有的单体电压加和得到，在其他只能模块需要一个直接的总电压测试值的时候才会进行。

2.6.1 测量
1.电压的测量
电池的电压主要指电池正负极的电势差，也是两个电池正负极接线端的端电压。

电池的电压来源于正负极材料的电位差，而材料的电位取决于其电化学能级的大
小，正负极材料的电位差称作电池的电动势，E
s =φ
a
-φ
b。

这是一个固定的特征
值，但是在正负极材料与隔膜电解液等组成的电池中，电动势还奥受到浓度、温度、压力等参数的影响，如果没有电流流过，电池处于静态，此时的正负极电极
电位之差，称作电池的静态动势，E
s =φ
a
-φ
b。

而有电流通过的时候，电池的内
阻会产生一个电压降，电池的内阻由欧姆电池、离子迁移驱动需要克服的阻力和
电化学反应过程的极化等组成，表现的端电压为U= E
-η。

电流不同的时候，需
s
要克服的极化阻力不一样，极化电压η不一样，一次端电压也在变化。

此外在不同的温度下，电池内部各种活性成分的活度发生了变化，同样电流下的极化电压η也不一样。

电压的检测，一般使用专门设计的芯片，比如LTC6802，该类芯片能采集单体电池端电压，并进行通信，将采集到的数据传输出去。

低成本的电压测量方案有用电阻分压来完成的。

BMS自身使用的总电压一般直接由单体电压累加得到，直接测量的原理跟一般万用表一样。

电压测量的精度，直接影响电池管理系统的功能。

因为过充过放保护功能的实现完全依靠电压来判断。

避免过充电的保护依据是电压，保护每个电池单体的电压不过高避免过充电，保护单体电压不会过低从而避免过放电。

此外，电压的检测精度还决定了电池的使用规划，电量管理SOC的估算都要依赖电压的测量来校准，电池的均衡、安全管理等也依赖于电池电压的测量。

2.电流的测量
电池的电流跟其他电源的电流完全是等效的。

电流测量的精度和可靠性具有传导性，影响到其他电池参数的计算与工作状态的判断。

比如安时积分法为基础的SOC估算，就必须有高精度的电流测试数据，而电池的使用比如充放电功率，电流测量的精度也会影响使用效果，BMS的短路保护等功能也以电流值测试数据作为依据。

电流测量的芯片有AD芯片比如CS5460A等。

我们能够直接测量的参数依然是电压，要测量电流，首先要把电流信号转换为电压信号。

这种转换通常可以通过分流器或者霍尔传感器来实现。

分流器实际上是一个阻值很小的电阻，直流电流流过电阻时会产生一个电压降，这个电压降就是电流大小的信号，通过芯片来读取这个电压信号可以给出被测量电路中流过的电流值。

霍尔穿管其中有电流流过时，由于霍尔效应，也会感生一个电压，失去这个电压值也能给出电路中流经的电流值。

但是霍尔传感器是根据磁场进行测量的，故而对电磁环境十分敏感，而且使用中有一个磁场建立的过程，线性度也不是很好。

3.温度的测量
温度对电池的影响巨大，以35℃为基准，温度每升高10℃，循环寿命下降50%。

以25℃为基准，55℃时电池容量增大10%，0℃容量减小20%，-20℃容量降低50%。

电池在45℃的环境下保存一年，即使不进行任何的使用和充放电，容量也将不可恢复地损失30%。

一般磷酸铁力电池低于-5℃时充电速度会急剧下降甚至无法充电。

电池温度过高，比如高于80℃，就引起电池永久损坏，再高就会引起内短路、热失控、起火、爆炸等。

因此，要限制电池的最高温度，也要防止电池温度降到过低而无法充放电。

电池内部、不同电池间的温度分布与电池的使用维护关系也很大。

温度不均匀，会迅速导致电池单体之间出现一致性变差。

温度值转换为电信号即转换为电压信号，可见电压测量技术对于BMS的重要性。

简单的温度测量是使用衣蛾具有明显温度系数的电阻与一个温度系数很小的电阻分压，随着温度的变化，分压值会发生变化，测量到不同的电压就知道有不同的温度。

精确的温度测量可以选用专门的芯片，如DS 18B20.。