【技术】新能源电动汽车的电池管理系统（BMS）解析

时间： 2021-12-31 来源：鲁光电子

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新能源汽车经过了多年的发展，电池仍然是一个技术难题，需要高精度和高鲁棒性来保证电池工作的万无一失。新能源汽车与传统汽车最大的区别是用电池作为动力驱动，所以动力电池管理技术(Battery Management System，BMS)成为了新能源汽车研究的核心技术。本文中鲁光电子将进行分析。

什么是电池管理系统？

电池管理系统(Battery Management System，BMS)，电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，BMS系统通常包括检测模块与运算控制模块。主要功能包括：1）电池物理参数实时监测；2）电池状态估计；3）在线诊断与预警;充、放电与预充控制；4）均衡管理和热管理等。

电池管理系统的优势：

电池管理系统(Battery Management System，BMS)的主要任务是保证电池系统的设计性能：

1)安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故；

2)耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命；

3)动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。

电池管理系统的分类：

1）分布式电池管理系统（BMS）：分布式BMS采用分布式系统架构设计，包括：主控制模块上位机（BMU），电池检测模块下位机（LECU）。

应用领域：主要适用于大巴、物流清洁等交通运输领域及大型储能领域。

2）一体机电池管理系统（BMS）：一体机系列的BMS产品，高度集成了单体电池电压，电流的采集，均衡模块，SOC估算，温度采集，充放电控制模块。

应用领域：小型电动车、微型电动车。

电池管理系统的主要组成及功能：

(1)电池终端模块(主要进行数据采集，如：电压参数、电流参数、温度、通信信号等)；

(2)中间控制模块(主要与整车系统进行通讯，控制充电机等)；

(3)显示模块(主要进行数据呈现，实现人机交互)。

为满足相关的标准或规范，BMS的这些组成模块要完成的如下工作：

(1)电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电池电压检测(防止出现过充、过放甚至反极现象)、温度检测(最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器)、烟雾探测(监测电解液泄漏)、绝缘检测(监测漏电)、碰撞检测等；

(2)电池状态估计。包括荷电状态(SOC)或放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、故障及安全状态(SOS)等；

(3)在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测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，并进行早期预警。电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障(如接触器、风扇、泵、加热器等)，以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压(过充)、欠压(过放)、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等；

(4)电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后，通过网络通知整车控制器，并要求整车控制器进行有效处理(超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源)，以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害；

(5)充电控制。BMS中具有一个充电管理模块，它能够根据电池的特性、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；

(6)电池均衡。不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量；

(7)热管理。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，使得电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥电池的性能；

(8)网络通讯。BMS需要与整车控制器等网络节点通信；同时，BMS在车辆上拆卸不方便，需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、升级维护等，一般的车载网络均采用CAN；

(9)信息存储。用于存储关键数据，如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等；

(10)电磁兼容。由于电动车使用环境恶劣，要求BMS具有好的抗电磁干扰能力，同时要求BMS对外辐射小。

动力电池的基本概念：

(1)电池容量

电池容量是蓄电池的一个重要性能参数，它表示在一定放电率、温度、终止电压等的条件下，电池放出的电量。电池容量用C表示，其单位用安时(Ah)、毫安时(mAh)表示。

(2)充电速率和放电速率

此概念利用电池额定容量和充电时间(放电时间)的比值来表示，可以比较不同电池的充放电速度。

(3)电池的过充

电池的过充即是对电池进行了过度的充电，过充会给电池造成一定的损害。当快接近充电结束的过程时，即电池电量快满的时候，只能用小电流对电池进行低速率充电。因为只有小电流充电所产生的极化现象较轻，在电池内部积聚的气体较少，而且给电池散热的时间充足。

(4)充电终止电压/放电终止电压

当蓄电池充满电时，表示电池极板上的活性物质已经达到饱和状态，所以在这个时候即使继续对蓄电池充电，蓄电池的电压再也不会升高，此时蓄电池的电压称为充电终止电压。类似地，放电终止电压就是放电时候能达到的最低电压。

(5)电池的内阻

蓄电池两端测得的阻值称为蓄电池的内阻。

(6)电池的生命周期及老化

电池的整个生命周期会经历以下三个阶段：在刚开始使用阶段时，容量会增大5%~10%；接下来的阶段，容量保持不变；最后一个阶段，电池容量开始慢慢减少。这段容量减少的阶段就是电池的老化阶段。一般来说，当电池容量降到额定容量的80%时，则认为电池寿命结束。

总结

由以上可知，电池组是新能源汽车的重要组成部件。所以，动力电池管理系统(Battery Management System，BMS)对新能源电动汽车电池起到了至关重要的作用，BMS对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，增加续驶里程、延长电池使用寿命、降低运行成本。

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阿尼古 Lv8. 研究员 2023-01-31

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