電動汽車高壓動力電池管理系統（High Voltage BMS）設計

狄新輝

（英飛凌科技，上海 200003）

0.引言

隨著能源緊缺、石油漲價、城市環境污染的日益嚴重，替代石油的新能源的開發利用越來越被各國政府所重視。在新能源體系中，電池系統是其中不可或缺的重要組成部分。其中鋰電池以高能量密度、高重復循環使用次數、重量輕以及綠色環保等優勢越來越受到人們的關注，所以在手機、筆記本電腦、電動工具等便攜式手持設備中已經得到廣泛的應用，并已經開始進入電動車、電動汽車等大功率的應用中，成為全球電動汽車發展的熱點，因此BMS也就成為電動汽車的一項關鍵技術[1]。

在電動車快速普及的今天，電池壽命和安全問題仍然是困擾消費者和生產廠商的一個難題。如何對電池進行科學有效管理，成為眾多新能源電池廠商技術攻堅的突破口。行業背景和趨勢下，BMS成為行業重點發展的方向，作為連接車載電池和電動車的重要紐帶，BMS能夠實時估測電池的荷電狀態，功能狀態，健康狀態，檢測電池使用狀態，并對電池該如何發揮作用進行直接管控。除此之外，BMS還要跟整車系統進行信息交換，解決鋰電池系統中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關鍵問題。本文針對BMS系統設計提出一個整體的解決思路，一方面詳細地闡述了BMS系統設計中有哪些是關鍵技術，哪些是重點技術，以及未來BMS的發展道路方向；另一方面也為從事BMS系統開發的工程人員提供相應的系統技術思路。只有對BMS系統構架和應用有清晰的認識才能正確地設計出滿足不同系統應用的BMS，才能讓電池真正發揮出更高、更安全的供能作用，讓電動車在未來的發展中有更美好的前景。

1. BMS關鍵技術概述及特點

電池管理系統與電動汽車的動力電池緊密結合在一起，通過傳感器對電池的電壓、電流、溫度進行實時檢測，同時還進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量（SOC）、放電功率，報告電池健康程度（SOH）和剩余容量（SOC）狀態，還根據電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程，以及用算法控制充電機進行最佳電流的充電。

1.1 電池參數測量

1.1.1 基本信息測量

電池電壓、電池電流、電池包溫度的監測是最基本電池測量功能，其中測量電池單體的電壓電流和溫度非常重要，它是所有電池管理系統頂層設計和控制邏輯的基礎，因此測量電路的設計就變得極為重要，一方面要考慮電路的可靠性；另一方面要考慮測量的準確性 。

1.1.2 絕緣電阻檢測

電池管理系統內需要對整個電池系統和高壓系統進行絕緣檢測，能保證系統在絕緣出現問題或者是系統存在漏電路徑的時候能提供可靠的安全保護機制，對整體高壓系統來說意義重大。

1.1.3 高壓互鎖檢測（HVIL）

用來確認整個高壓系統的完整性，當高壓系統回路完整性受到破壞的時候啟動安全措施，能保障高壓系統的可靠性，避免因拉電弧等引起的火災故障。

1.2 電池狀態參數估算

1.2.1 SOP（State of Power）

主要是通過溫度和SOC查表得到當前電池的可用充放電功率，整車控制器（VCU）根據發送的功率值決定當前整車如何使用。需要兼顧考慮釋放電池能力和對電池性能進行保護。

1.2.2 SOH（State of Health）

主要表現當前電池的健康狀態，數值為0%～100%，一般認為低于80%以后電池便不可再用。可以用電池容量或內阻變化來表示，用容量時即通過電池運行過程數據估算出當前電池的實際容量，與額定容量的比值即為SOH。準確的SOH會提高電池衰減時其他模塊的估算精度。

1.3 系統高低壓管理

BMS低壓喚醒和系統自檢通過后等待整車控制器（VCU）發送高壓上下電指令，包括主+、主-，充電繼電器+、充電繼電器-、預充繼電器的打開閉合。

1.4 充電管理

1.4.1 慢充

由交流充電樁（或220V電源）通過車載充電機（OBC）將交流轉化為直流給電池充電，BMS和OBC之間通訊一同來完成慢充控制。

1.4.2 快充

是由直流充電樁輸出直流給電池充電，BMS和DC充電樁進行通訊，隨時監測充電狀態以保證充電安全。

1.5 故障診斷

針對電池的不同表現情況，區分為不同的故障等級，并且在不同故障等級情況下BMS和VCU都會采取不同的處理措施，發出系統警告，限制功率或直接切斷高壓。故障包括數據采集及合理性故障、電氣故障（傳感器和執行器）、通訊故障及電池狀態故障等。故障診斷數據可以保存在BMS的存儲器里用作系統故障分析，從而幫助更好地改進系統設計[2]。

BMS作為動力電池核心控制系統，直接影響動力電池的使用壽命及電動汽車的安全運行與整車性能。對續航具有重大的影響，決定著新能源汽車的未來，做好電池管理系統，將極大地促進新能源汽車的發展。

2. BMS在電動汽車中的應用分析

鋰動力電池作為主流的系統供電電池具有能量密度高，容量大，運行時間長的特點，所以對電池管理系統（BMS）在鋰動力電動車上的應用提出了新的要求。從拓撲架構上看BMS根據不同項目需求分為集中式（Centralized）和分布式（Distributed）兩類，按照通訊方式分則分為有線通訊和無線通訊BMS。

分布式的BMS架構能較好的實現模塊級（Module）和系統級（Pack）的分級管理。由從控單元CSC負責對Module中的單體進行電壓檢測、溫度檢測、均衡管理以及相應的診斷工作；由高壓管理單元（HVU）負責對Pack的電池總壓、母線總壓、絕緣電阻等狀態進行監測；且CSC和HVU將分析后的數據發送至主控單元BMU（Battery Manangement Unit），由BMU進行電池系統BSE（Battery State Estimate）評估、電系統狀態檢測、接觸器管理、熱管理、運行管理、充電管理、診斷管理、以及執行對內外通信網絡的管理。

有線通訊BMS每塊電池連接監測器，監測器向控制器報告關鍵信息，進而計算相關的BMS 參數以供系統使用。無線通訊BMS 電池組間可以通過無線的方式來通訊和匯總關鍵信息，從而簡化電池包的布線設計以及整體電池包的工藝，減輕電池包的重量，提高電池的使用效率，增加系統的可靠性和穩定性。

3.結論

未來，動力鋰電池在電動汽車領域中具有廣闊的前景，電池管理系統將對于電池安全使用，以及和車輛管理的溝通起著關鍵的橋梁作用。電池管理技術包括硬件設計技術和軟件設計技術，其中高壓混合信號處理技術及芯片設計是硬件設計核心，不僅是保證在汽車環境下實現高可靠、高速、高精度信號采集和處理的關鍵，也是提高測試覆蓋率、支持在線檢測和降低成本的關鍵。而軟件的核心則包括電池管理的算法，通訊協議的支持以及動力總成的相關技術等。