高压电池管理系统BMS浅析专题二

来源：线束世界•作者：线束世界-Jimmy•2022-09-05 14:16

随着新能源车辆发展至今，BMS系统也经过了多个发展阶段。

从判断电池故障、荷电状态和容量估算等简单管理阶段，进阶为覆盖电池方方面面状态的全面管理阶段。

本章节我们将了解BMS的功能清单，并对部分核心功能进行详细说明，包括电池状态评估及功率估算，电池充放电管理和均衡管理、绝缘电阻检测，电池热管理，电池热监控，在线故障诊断和安全管理。

BMS功能清单

可以将BMS功能简单分为三大部分。

BMS基础功能：V/I/T采样，保护功能（过压、过流、过温、绝缘电阻），继电器驱动，状态采样，继电器粘连检测，CAN通信；

BMS核心功能：电芯均衡、SOP（功率）、SOE（能量）、SOC（荷电状态），SOH（健康程度）；

BMS应用相关：碰撞信号检测、交/直流充电、充电器状态检测、热状态、加热/冷却需求、预充、唤醒/休眠、与VCU通信

不过从用户角度来理解，可大致分为两大功能“电池体检”&“安全卫士”。

电池体检

从时效性来说，对电池的体检强调的是即时性，BMS必须精准掌握电池状态。

即时“体检”，指的是电池数据采集和状态评估。

数据采集，可简单理解为给电池做例行的“体检”；在充放电过程中，实时采集电池组中每块电池的端电压、温度、充放电电流及总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。

这种“体检”是在线的、持续的、不间断的。过程中当发现数据异常时，可及时查询对应电池状况，并挑选出有问题的电池，从而保持整组电池运行的可靠性和高效性。

“体检”结束之后，会进入分析、诊断、计算的阶段，之后生成“体检报告”，这个过程可以理解为电池的状态评估。

安全卫士

安全卫士只得是保护电池及人身安全。

电池过充、过放会带来局部过热，影响电池寿命不说，严重时会威胁到电池组的安全，进而引发人身安全隐患。这时，BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能，一方面与整车、充电机实现通讯，另一方面实时提供电池状态，便于及时发出指令控制，有效防止高充、低放的发生。

在保护电池的模块，均衡也是很重要的一环，是保护并提升电池寿命的必要手段。另外，电池的保护还包括过压、欠压、过温、过流等的保护。简单来说，当实际参数高于或低于某约定值时，系统将自动做出判断，并采取断开、预充等方式保护电池安全。

在人身安全方面，BMS通过高压控制的手段来保护。电池高压可达300-500V，远超人体安全电压36V，风险隐患极大，必须做好高压控制，最常见的就是继电器、高压互锁、绝缘防护。周全的高压防护控制，可有效保护司机、乘客和维护人员的人身安全。

电池状态评估

下面我们就来对BMS的几个核心功能做下详细说明。

如同手机通过检测电池的电压和电流来估算电池荷电状态，为用户显示剩余电量，动力电池的BMS系统也是通过估算电量的SOC，来为整车控制系统提供数据输入，为驾驶员提供电量和续航里程数据作为车辆使用的参考信息。

SOC的全称State of Charge，荷电状态，也称为剩余电量。满充的电池，其SOC为100%，反之则为0%。

用户可通过车上仪表显示，看到这些数据，从而确认电池的工作、功能状态。据此，在保护电池的基础上，将潜力发挥最大化，大大提升驾乘体验。

因此SOC等数据估算的准确与否，就显得特别重要。估算不准带来的后果，有可能是汽车抛锚、与预期的行驶里程数不符等。

举个例子，满电情况下续航里程为400公里的车辆在道路行驶。若估算准确，当SOC显示为10%时，还可能行驶的里程是40公里；若估算不准，SOC达到15%，则用户以为的里程为60公里，事实上可能在行驶40公里之后，就已经没电了。很显然，对于用户来说，这样的情况很糟糕。

SOC外，BMS还会估算电池的放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)等：

SOC：State of Charge,电池剩余电量百分比；

SOE：State of Energy,电池剩余电量，对整车而言意味着剩余里程；

SOH：State of Health，电池健康度，电池当前的容量与出厂容量的百分比；

SOF:State of Funtion,电池功能状态，是BMS控制策略中的一个参数；

DOD：Depth of discharge,放电深度，指从电池取出电量占额定容量的百分比，相同容量的电池，放电深度越大，电池释放能量就越多，电池寿命越短。

功率估算

车辆控制系统根据刚才这些数据，确定系统的动力输出形式，以及输出功率。

比如：以混动车举例，何时启动纯电模式，何时启动发动机，何时关闭电机，这些控制逻辑都需要以电池的荷电状态，最大放点电流、最大充电电流、最高充电电压、最低充电电压等数据作为输入，而BMS则是这些关键数据的提供方。

其实，BMS的剩余容量估算是BMS的核心内容也一直是业界难点。首先它是一个估算值，根据电池组电压，电流，放电倍率，温度等因素经过算法计算得出的值，这就要求整个系统先要采集的足够准，足够快才能保证最后的结果准确。

可是这又受制于主控芯片的处理速度，AFE的精度，采集电流的方案选择，温度传感器的精度。

还有从系统整体考量采样频率的大小诸多因素有关。选用高处理速度高精度的芯片势必会增加成本，采样频率越快系统负荷也越大，所以目前技术条件下大家都是参考具体项目来权衡各方面因素。

简单来说，就是根据V/I/T测量值，对内阻，容量进行估算，得出SOC估计值，SOH估计值，综合两者得出SOP可用功率，并最终反应到用户那里，就是剩余可行驶里程数。

估算值精度

以上提及的估算值精度，按国标定义，可汇总如表格所示：

电池过充/电池过放

在解释BMS对电池充放电进行均衡管理前，需要了解电池过充、过放的概念。

电池过充，指的是用超过单体电池上限的充电电压充电，或者在电池已经充满的情况下继续充电。

电池过充，不仅会引起电池性能下降，有时还会引起过热甚至是冒烟起火。

电池过放的概念则与过充相反。

在电池放电到低于下限电压时，仍然被要求继续放电，称为过放。

出现电池过放时，电池内部会发生异于常态的化学反应，导致内部活性物质出现不可逆的变化，使电池容量下降，严重的情况，该单体电池将无法使用。

因此，BMS需要监控各单体电池的电压，控制其充电电流和放电电流，既不能超过上限电压，又不能低于下限电压。

5.2.png

SOC过充/过放上下限

电池均衡方式

不同车企对BMS的算法采取不同的设计理念，对于车辆过充和过放的范围也是不一样的，有些车型限定使用容量的60%，通常充电到80%，放电到20%。

低电量电池经过长期存放后，会出现自放电现象。限定使用容量的做法，本质上是为了保留部分电量，降低由于电池自放电而引起的过放概率。

BMS对电池电压压差进行检测，通过电池均衡，起到维护改善成组电池一致性，提高电池组性能的目的。

电池均衡的方式一般有两种：

被动均衡

指的是先行消耗高能电池的多余能量，一般是通过电阻放电的方式，对高能电池进行放电，通常以热量形式释放电量，为其他低能电池争取更多充电时间。

被动均衡的优点是成本低、电路设计简单。缺点是受限于荷电残余量最少的电池，无法增加低能电池的容量，对释放电量而产生的热量而言，是一种浪费。

主动均衡

指的是将高能电池上的电量转移到低能电池上，从而达到电池均衡的目的。

由于能量可以被转移，电池均衡的效率比较高，能量损失小，充电时间短。缺点则是结构复杂，成本高，带有主动均衡功能的BMS普遍高于被动均衡功能的BMS。

由于篇幅较长，我们把包括绝缘电阻检测，电池热管理，电池热监控，在线故障诊断和安全管理在内的内容放置在专题三的推文中，以期提高读者的阅读感受，方便读者便于理解和消化，欢迎读者们持续关注。

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