动力电池管理系统设计概述

    随着电动汽车越来越多，在寻求对高能量密度、高安全性的电池之外，电池能量管理系统的重要性也日益提高。不同的动力电池具有不同的性质，即使是同一类型的电池性质也存在不一致性，在使用过程中会出现扩大化造成事故的可能发生。因此对动力电池系统进行有效的管理用以确保电动汽车的安全显得十分重要，同时也需要保证电池系统的性能、延长电池寿命、提高电池使用效率。
    电池管理系统构成及原理
    电池管理系统（BMS），即Battery Management System，通过检测电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。
 

    一种典型的电池管理系统拓扑图

    一种典型电池管理系统拓扑图结构主要分为主控模块和从控模块两大块。具体来说，由中央处理单元（主控模块）、数据采集模块、数据检测模块、显示单元模块、控制部件（熔断装置、继电器）等构成。一般通过采用内部CAN总线技术实现模块之间的数据信息通讯。
    基于各个模块的功能，BMS能实时检测动力电池的电压、电流、温度等参数，实现对动力电池进行热管理、均衡管理、高压及绝缘检测等，并且能够计算动力电池剩余容量、充放电功率以及SOC&SOH状态。
    电池管理系统的基本功能
    电池管理系统的基本功能可以分为检测、管理、保护这三大块。具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护等功能。
    （一）数据采集
    作为电池管理系统中其他功能的基础与前提，数据采集的精度和速度能够反映电池管理系统的优劣。管理系统的其他功能比如SOC状态分析、均衡管理、热管理功能等都是以采集获取的数据为基础进行分析及处理的。
    数据采集的对象一般为电压、电流、温度。在实际使用过程中，电池在不同温度下的电化学性能不同，导致电池所放出的能量是不同的。锂离子动力电池对电压和温度比较敏感，因此在对电池的SOC进行评估时必须考虑温度的影响。
    （二）状态分析
    对电池状态的分析主要是电池剩余电量及电池老化程度这两个方面，即SOC评估和SOH评估。SOC能够让驾驶员获得直接的信息，了解到剩余的电量对续航里程的影响。现阶段的研究很多都集中在对SOC分析上，不断加强其精确度。SOC的分析会受到SOH的影响，电池的SOH在使用过程中受到温度、电流等持续影响而需要不断进行分析，以确保SOC分析的准确性。
    在对SOC的分析上，主要有电荷计量法、开路电压法、卡尔曼滤波法、人工神经网络算法和模糊逻辑法等。在这简单介绍电荷计量法和开路电压法这两种方法。
    （1）电荷计量法
    电荷计量法是通过对一段时间内电池充入放出的电荷进行统计，即电流在时间上的累积来计算得到SOC。虽然是最常用的一种计量方法，然而会受到很多因素的影响包括数据采用精度、自放电问题等。比如由于电流传感器采用精度的不足，用于积分计算的电流与真实值之间存在误差，使得SOC的结果偏差越来越大。所以在采用电荷计量法时需要用到一些修正算法对各种影响因素进行校正，减少计算分析结果的误差。
    （2）开路电压法
    开路电压法是在电池处于静置状态下对电池的开路电压测量来计算电池的SOC。但需要注意的是采用开路电压法时一般认为SOC与电动势有一定的线性关系，任意一个SOC值都只对应一个电动势值。在采用开路电压法必须要考虑到电压回弹效应，在电压没有回弹到稳定值时计算得到的SOC会偏小。与电荷计量法相比较，开路电压法在电池正常工作时不能使用，这是它最大的问题。
    其实现阶段要对SOC进行十分精确的测量存在很大的困难，比如由于传感器精度和电磁干扰引起采样数据的不准确带来状态分析的偏差。另外，电池的不一致性、历史数据、使用工况的不明确性也对SOC的计算带来很大的影响。
    （三）均衡控制
    由于生产制造和工作环境的影响会造成电池单体的不一致性，在电压、容量、内阻等性质上出现差别，导致每个单体电池在实际使用过程中有效容量和充放电电量是不一样的。因此为保证电池系统的整体性能和延长使用寿命，为减少单体电池之间的差异性而对电池进行均衡控制是十分必要的。
    均衡管理有助于电池容量的保持和放电深度的控制。如果没有对电池进行均衡控制，由于电池管理系统的保护功能设置，就会出现某个电池单体充满电时其他电池单体没有充满或者某个最小电量的单体电池放电截止时其他电池还没有达到放电截止限制的现象。一旦电池出现过充或者过放，电池内部会发生一些不可逆的化学反应导致电池的性质受到影响，从而影响电池的使用寿命。
    按照均衡管理中的电路结构和控制方式这两个方面来归纳，前者分为集中式均衡和分布式均衡，后者分为主动均衡和被动均衡。集中式均衡是指电池组内所有的电池单体共用一个均衡器来进行均衡控制，而分布式均衡是一个或若干个电池单体专用一个均衡器。前者通信简单直接，进行均衡速度快。但电池单体与均衡器之间的线束排布复杂，不适合单体数量多的电池系统。后者能够解决前者线束方面的问题，缺点是成本高。
   

    主动均衡又称非耗散型均衡，形象说就是进行电池单体之间的能量转移。将能量高的电池单体中的能量转移到能量低的单体上以达到能量均衡目的。被动式则是耗散型均衡，利用并联电阻等方式将能量高的单体中能量消耗至与其他单体均衡的状态。主动式均衡效率高、能量转移而不是被消耗，但结构复杂带来成本的上升。
    （四）热管理
    电池系统在不同运行工况下由于其自身有一定的内阻，在输出功率、电能的同时产生一定的热量从而产生热量累积使电池温度升高，空间布置的不同使得各处电池温度并不一致。当电池温度超出其正常工作温度区间时，必须限功率工作，否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命，动力电池系统一般设计具有热管理系统。电池热管理系统是用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统，主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。
    电池管理系统在热管理上的主要功能是对电池温度进行准确地测量和监控，在电池组温度过高时的有效散热和通风用以保证电池组温度场的均匀分布。在低温的条件下，能够进行快速加热使电池组达到能够正常工作的环境。
    （五）安全保护
    安全保护作为整个电池管理系统最重要的功能，是基于前面四个功能而进行的。主要包括过电流保护、过充过放保护、过温保护和绝缘监测。
    （1）过电流保护
    由于电池都具备一定的内阻，当电池在工作时电流过大会造成电池内部发热，热量积累增加造成电池温度上升，从而导致电池的热稳定性下降。对于锂离子电池来说，正负极材料的脱嵌锂离子能力是一定的，当充放电电流大于其的脱嵌能力时，将导致电池的极化电压增加，导致电池的实际容量减小影响电池使用寿命，严重时会影响电池的安全性。电池管理系统会判断电流值是否超过安全范围，一旦超过则会采取相应的安全保护措施。
    （2）过充过放保护
    在充电过程中，充电电压超过电池截止充电电压时，将会引起正极晶格结构被破坏，导致电池容量变小。并且电压过高时会进而造成正负极短路发生爆炸的隐患。过充电是被严格禁止的。BMS会检测系统中单体电池的电压，当电压超过充电限制电压时，BMS会断开充电回路从而保护电池系统。
    在放电过程中，放电电压低于电池放电截止电压时，电池负极上的金属集流体将被溶解，给电池造成不可逆的损害。给过度放电的电池充电时会有内部短路或者漏液的可能。当电压超过放电限制电压时，BMS会断开放电回路从而保护电池系统。
    （3）过温保护
    对于过温保护，需要结合上面的热管理功能进行。电池活性在不同温度下有所不同。长时间处在高温环境下，电池材料的结构稳定性会变差缩短电池使用寿命。低温下电池活性受限会造成可用容量减小，尤其是充电容量将变得很低，同时可能产生安全隐患。电池管理系统能够在电池温度超过高温限制值或是低于低温限制值时，均会禁止进行充放电。
    （4）绝缘监测
    绝缘监测功能也是保证电池系统安全的重要功能之一。电池系统电压通常有几百伏，一旦出现漏电将会对人员形成危险， 所以绝缘监测功能就显得相当重要。BMS会实时监测总正和总负对车身搭铁的绝缘阻值，如果出现绝缘阻值低于安全范围，则会上报故障并断开高压电。
    系统设计及技术要求
    在进行电池管理系统设计时，前期首先需要根据整车的设计要求确定BMS的功能，然后确定其拓扑结构，之后是主要工作内容的软硬件设计，在完成以上基本工作之后要进行BMS单元测试及动力电池组整体测试。在进行软硬件设计之前，单体电池的充放电、容量、电阻等特性都需要进行测试以便更好进行保护电路设计、算法设计等。
    进行硬件设计时要结合软件算法的需求，在电路板开发及元器件设计上需要注意耐压绝缘、抗电磁干扰、电磁兼容、通信隔离和通风散热等。一般的软件设计功能包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。
    相关硬件设计则对软件设计的功能提供支持，比如MCU模块用来采集、分析数据、收发控制信号；电流检测模块则是采集电池组充放电过程中的充放电电流。
    总结
    作为电动汽车的核心——动力电池系统的管理技术，电池管理系统在很多功能方面仍存在不足。在电动汽车蓬勃发展的当下，可以通过大量数据和技术的积累对电池管理系统的功能进行不断完善。实现完备功能的电池管理系统设计需要各方的不断努力，包括优化硬件设计、提高软件的自适应性和实现低功耗设计。