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。

经典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、固化有多种算法的控制器以及信号

线等构成。其重要任务是保证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，并且在出现异常状况下对动

力电池系统采用合适的干预措施；通过采样电路实时采集电池组

以及各个构成单体的端电压、工作电流、温度等信息；运用既定

的算法和方略估算电池组SOC、SOH、SOP以及剩余寿命

(RemainingUsefulLife,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派控制提供根据。

图1-3经典的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理

1.4.1BMS的基本功能

BMS的重要功能有数据采集、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。

L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，伴随路况和驾驶人操纵方

式的变化，动力电池需要时刻适应急剧变化的负载。为了精碓获

取动力电池的工作状况，更好地实行管理对策，BMS需要通过采

样电路实时采集电池组以及各个构成单体的端电压、工作电流、

温度等信息。

2.状态监测

动力电池是一种复杂的非线性时变系统，具有多种实时变化的

状态量。精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，运用既定的算法和方略进行电池

组的状态估计，从而获得每一时刻的动力电池状态信息，详细包

括动力电池的SOC、SOH、SOP以及能量状态（StateofEnergy,

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重要指动力电池及其成组的在线故障

诊断及安全控制。动力电池时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

的故障一般包括过电压（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、绝缘能力减少以及电解液泄漏，

还波及传感器、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，BMS需要进行初期预警，并尽量采用对应的措施

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一般需要集成一种充电管理模块，根据动力电池的实时特性、

温度高下以及充电机的功率等级，控制充电机给电池进行安仝充

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

等驾驶操作时随机触发将导致复杂多变B勺动态负载。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，BMS还需根据复合电源各自的

状态信息优化分派动力电池H勺能量，以保证复合电源的最佳性能。

6.均衡管理

由于生产工艺、运送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。为了充足发挥电池单体的性能，

保证电池组时使用安全，BMS需要根据动力电池单体的信息，采

用积极或被动的均衡方式，尽量减少动力电池单体在使用过程中

时不一致性。

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，决定积极加热/散热的强

度，使得动力电池尽量工作在最适合的温度，充足发挥动力电池

的性能，延长动力电池口勺使用寿命。

8.信息管理

BMS需要集成多种功能模块，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。伴随大数据时代H勺发展，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。

1.4.2BMS的柘扑构造

设计电动汽车时，一般需要满足一定B勺加速能力、爬坡能力和

最高车速等动力性指标，若只配置单个动力电池单体作为能量源

是远远无法到达规定的。因此，工程上一般将动力电池单体进行

串并联成组，以满足车辆设计的技术规定。例如，特斯拉ModelS

电动汽车采用松下企业制造B勺NCA系歹I」18650银钻铝三元锂离

子动力电池，单体的标称容量为3100mA-h,全车共采用了7000

多种电池单体进行串并联成组，最终构成一种动力电池包，并安

顿于车身底板。面对大规模的动力电池管理问题，BMS的拓扑构

造非常重要。

BMS的拓扑构造直接影响系统成本、可靠性、安装维护便捷性

以及测量精确性。一般状况下，电池监测回路（Battery

MonitoringCircuitzBMC)与电池组控制单元(BatteryControl

Unit,BCU)共同构成硬件电路部分。根据BMC、BCU与动力电

池单体三者之间的构造关系,BMS可分为集中式拓扑构造和分布

式拓扑构造。

集中式BMS拓扑构造中的BMC和BCU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

系统体积小的场所。集中式BMS拓扑构造如图1-4所示，所有动

力电池单体的测量信号被集中传播到单个电路板。

数据采集__________ffI充电桩

动力电池组

图1・4集中式BMS拓扑构造

集中式BMS拓扑构造一般具有如下长处：

①高速的板内通信有助于保证数据的同步采集。

②构造紧凑，抗干扰能力强。

③成本较低，仅使用一种封装即可完毕BMS时所有工作。

同步，集中式BMS拓扑构造也存在如下缺陷：

①轻易导致大量复杂的布线。

②当系统的不一样部分发生短路和过电流时难以保护电池系

统。

③考虑到高压安全问题，不一样通道之间必须保留足够的安全

间隙，最终导致电路板的尺寸过大。

④由于所有的组件都集中在单一电路板上，可扩展性和可维护

性差。

与集中式拓扑构造不一样，分布式BMS中的BCU与BMC是

分开布置的，如图1・5所示。BCU重要负责故障检测、电池状态

估计、开关管理、充放电控制以及与整车控制器通信；BMC则用

于实现电池单体电压、电流和温度的采集以及安全性和一致性的

管理。BCU和BMC之间通过CAN总线连接，任何BMC都可以

与BCU通信。此外，每一块BMC电路板都属于CAN总线的一种

节点，且单独与对应B勺动力电池单体建立连接。因此，BMC与BMC

之间同样可以建立通信。

分布式BMS拓扑构造一般具有如下长处：

①采集与计算功能分离，故障排查轻易，计算效率高。

②极大简化了系统的构造，布置位置灵活，合用性好。

③可扩展性更强，若想要增长或减少管理的电池数量，只需要

在对应电池附近布置或移除BMC电路板，再将它与预留的CAN

总线接口相连或解开即可。

同步，分布式BMS拓扑构造也存在如下缺陷：

①部件增多，增长了电路板数量和安装、调试与拆解的环节。

②通信网络设计规定高，易形成网络延时，影响采集数据的同

步性。

目前,分布式BMS拓扑构造在电动汽车领域中的应用最为广

泛。例如，特斯拉ModelS、宝马i3、荣威eRX5以及比亚迪秦

等商业化电动汽车均采用了此类构造。

动力电池组

图1・5分布式BMS拓扑构造

1.4.3BMS的开发流程

BMSH勺基本开发流程如图1・6所示。从图中可见，无论是动

力电池的开发还是动力电池管理系统