动力电池管理系统BMS

动力电池管理系统BMS

BMS是以某种方式对动力电池进行管理和控制的产品或技术。典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理如图1-3所示。BMS由各类传感器、执行器、固化有各种算法的控制器以及信号线等组成。其主要任务是确保动力电池系统的安全可靠，提供汽车控制和能量管理所需的状态信息，而且在出现异常情况下对动力电池系统采取适当的干预措施；通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息；运用既定的算法和策略估算电池组S OC、SOH、SOP以及剩余寿命(Rem aining Usef ul Life，RUL)等，并将参数输出到电动汽车整车控制器，为电动汽车的能量管理和动力分配控制提供依据。

图1-3 典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理

1.4.1 BMS的基本功能

BMS的主要功能有数据采集、状态检测、安全保护、充电控制、能量控制管理、均衡管理、热管理以及信息管理等。

1.数据采集

动力电池在电动汽车中的工作环境及状况十分复杂。电动汽车需要适应复杂多变的气候环境，这意味着动力电池的运行需要常年面对复杂多变的温湿度环境。此外，随着路况和驾驶人操纵方式的改变，动力电池需要时刻适应急剧变化的负载。为了准确获取动力电池的工作状况，更好地实施管理对策，BMS需要通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息。

2.状态监测

动力电池是一个复杂的非线性时变系统，具有多个实时变化的状态量。准确而高效地监测动力电池的状态量是电池及成组管理的关键，也是电动汽车能量管理和控制的基础。因此，BMS需要基于实时采集的动力电池数据，运用既定的算法和策略进行电池组的状态估计，从而获得每一时刻的动力电池状态信息，具体包括动力电池的SOC、SOH、S OP以及能量状态(State of Energy，SOE)等，为动力电池的实时状态分析提供支撑。

3.安全保护

动力电池安全保护功能主要指动力电池及其成组的在线故障

诊断及安全控制。动力电池的在线故障诊断是指通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断故障类型。动力电池管理需要诊断的故障通常包括过电压(过充电)、欠电压(过放电)、烟雾、过电流、超高温、短路故障、接头松动、绝缘能力降低以及电解液泄漏，还涉及传感器、执行器以及控制器等电子元器件的故障。在诊断出故障类型后，B MS需要进行早期预警，并尽可能采取相应的措施进行及时干预，以保证电动汽车的行驶安全。

4.充电控制

动力电池的充电过程将直接影响到电池的寿命和安全。因此，BMS通常需要集成一个充电管理模块，根据动力电池的实时特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给电池进行安全充电。

5.能量控制管理

由于电动汽车的行驶工况十分复杂，急加速、急制动、上下坡等驾驶操作的随机触发将造成复杂多变的动态负载。为了保证车辆安全、经济地运行，BMS需要根据采集到的动力电池数据和实时状态信息，合理控制动力电池的能量输出以及再生制动的能量

回收。若电动汽车装有复合电源，B MS还需根据复合电源各自的状态信息优化分配动力电池的能量，以保证复合电源的最佳性能。

6.均衡管理

由于生产工艺、运输储存以及电子元器件的误差积累，动力电池单体之间难免存在不一致性。为了充分发挥电池单体的性能，保证电池组的使用安全，BMS需要根据动力电池单体的信息，采取主动或被动的均衡方式，尽可能降低动力电池单体在使用过程中的不一致性。

7.热管理

动力电池在正常工作中不仅受环境温度的影响，还受自身充放电产热的影响。因此，BMS需要集成电池热管理模块。它可以根据电池组内温度分布信息及充放电需求，决定主动加热/散热的强度，使得动力电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥动力电池的性能，延长动力电池的使用寿命。

8.信息管理

BMS需要集成多个功能模块，并合理协调各模块之间的通信运行。由于运行的数据量庞大，BMS需要对动力电池的运行数据进行处理和筛选，储存关键数据，并保持与整车控制器等网络节点

进行通信。随着大数据时代的发展，BMS还需要与云端平台进行实时交互，以更好地处理动力电池的管理问题，提高管理品质。

1.4.2 BMS的拓扑结构

设计电动汽车时，通常需要满足一定的加速能力、爬坡能力和最高车速等动力性指标，若只配备单个动力电池单体作为能量源是远远无法达到要求的。因此，工程上通常将动力电池单体进行串并联成组，以满足车辆设计的技术要求。例如，特斯拉Model S 电动汽车采用松下公司制造的NCA系列18650镍钴铝三元锂离子动力电池，单体的标称容量为3100mA·h，全车共采用了7000多个电池单体进行串并联成组，最终组成一个动力电池包，并安置于车身底板。面对大规模的动力电池管理问题，BMS的拓扑结构非常重要。

BMS的拓扑结构直接影响系统成本、可靠性、安装维护便捷性以及测量准确性。一般情况下，电池监测回路(Batte r y Monitoring Circu it，BMC)与电池组控制单元(Batte r y Control Unit，BCU)共同构成硬件电路部分。根据BMC、BCU与动力电池单体三者之间的结构关系，BMS可分为集中式拓扑结构和分布式拓扑结构。

集中式BMS拓扑结构中的BM C和B CU集成在单个电路板上，实现采集、计算、安全监控、开关管理、充放电控制以及与整车控制器通信等功能，一般应用于动力电池容量低、总压低、电池系统体积小的场合。集中式BMS拓扑结构如图1-4所示，所有动力电池单体的测量信号被集中传输到单个电路板。

图1-4 集中式BMS拓扑结构

集中式BMS拓扑结构一般具有如下优点：

①高速的板内通信有利于保证数据的同步采集。

②结构紧凑，抗干扰能力强。

③成本较低，仅使用一个封装即可完成BMS的全部工作。

同时，集中式BM S拓扑结构也存在以下缺点：