ＢＭＳ下電動汽車電池管理系統探析

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摘要：BMS系統是電動汽車中的核心系統，也是提供動力的主要部件，能夠對電動汽車進行實時監控和在線監測，從而獲取汽車電池系統溫度、電流、電壓等具體參數和相關信息。另外，BMS系統還能夠對電池運行狀態和電池組離散性進行科學控制，一旦電池組出現故障或潛在隱患，系統會自動發出報警信號，提醒相關人員采取措施進行處理。基于此，對BMS系統進行概述，分析其在電動汽車中的作用和工作原理，并探索控制系統整體設計思路和軟硬件設計方法，為推動BMS系統深化應用奠定基礎。

關鍵詞：BMS系統；電動汽車；電池管理系統；控制

BMS的全稱是電池管理系統，屬于電動汽車中的一個子系統，主要作用是監測和控制電動汽車運行狀況，并對儲能電池進行有效管理。管理范圍包括電池溫度檢測、充電過程監管、電量估算等方面。電動汽車中的電池組相對復雜，在監督控制方面存在一定難度，并且涉及到諸多關鍵技術，想要將影響電池組穩定運行的潛在隱患和干擾因素控制在源頭，就要在了解電池管理重點、難點及關鍵技術基礎上，充分發揮BMS系統控制作用，從而為電動汽車穩定運行提供動力保障。

1BMS系統概述

電池技術、電機技術和電控技術是電動汽車的核心技術，統稱為“三電”，其技術水平直接影響電動汽車的速度、續航里程等情況。只有當三種技術有效協調、相互配合，才能夠為電動汽車安全運行提供保障。一旦其中某一技術存在短板，將會直接降低車輛性能。其中電機技術和電池技術對電動汽車性能帶來的影響尤為顯著［1］。如：汽車動力與電機功率大小息息相關，動力電池的儲存能力直接決定汽車續航里程。同為“三電”的電控技術為什么能夠與電池技術和電機技術相提并論，成為研究人員需要深入探索和分析的主要課題。具體來說，電控技術是電池管理系統中的最核心功能，也稱為BMS系統，如果不具備該系統，將會大幅度降低動力電池充電、放電效率，同時縮短動力電池使用壽命。如果將電動汽車中的電池組比作一支軍隊，那么BMS系統就是帶領軍隊前進的領導，其存在能夠使電池組運行達到事半功倍的效果。將BMS系統應用到電動汽車管理中，能夠保證所有電池在可運行范圍內有序工作，避免電池組出現溫度過高、過充和過放等問題。電池中的單芯容量相對較低，想要確保電池具備較高的續航能力和運行水平，需要上百甚至上千電芯組成電池系統。為確保所有電芯在合適區間內工作，需要依賴于BMS系統進行控制和管理。新時期背景下，我國汽車行業發展勢頭迅猛，促進各種類型電動汽車應運而生。但與此同時，電動汽車起火事故也隨之增多，引起了廣大消費者恐慌，并對電動汽車安全性產生質疑。當前，與HEV電池系統結構相比，目前電動汽車大多應用的BEV或PHEV電池系統結構更加復雜，同時也對電池運行的安全性和續航力提出較高要求，為了滿足這一需求，需要優先選擇使用BMS系統。所以，在我國電動汽車市場不斷拓展的同時，BMS系統也迎來了廣闊發展機遇。

2電動汽車中BMS系統的作用

BMS系統是電動汽車電池包中的重要組成部分，同時，電池包也是為電動汽車安全運行提供動力的核心能量源。其通過金屬殼體進行包絡，并構成完整的電池包［2］。近年來，在科技迅速發展背景下，電池中的電芯組成結構也積極采用了模塊化設計方式，并逐漸向集成化趨勢發展，通過對電池包進行合理設計、仿真優化，全面提高了其控制管理性能。另外，BMS系統中的電氣部件和線束能夠對電池連接路徑進行監督控制和安全保護，有利于提高電芯管理水平，實現電動汽車通訊目標，并滿足信息交換需求。在電動汽車運行中，BMS系統的主要功能是對電池狀態進行監督和控制，其主要監控任務包括以下幾個方面：a．盡可能規避電池包或電芯受各種因素影響被損壞；b．保證電池在合適溫度和電壓范圍內有序工作［3］；c．在保證電池運行穩定、安全基礎上，為電動汽車運行提供保障。

3電動汽車中BMS系統的運行原理

無論電動汽車應用哪種鋰離子電池，都需要通過串聯、并聯兩種方式將單體電池組成電池組，使其形成動力電池，以此來為電動汽車運行提供動力支撐。在電池組實際運行中，只有確保所有單體電池穩定運行，才能夠充分發揮電池組儲能作用。例如：特斯拉電動汽車在生產制造中主要使用18650鋰離子電池，其中“18650”代表單體電池的規格，其長度和直徑分別為65mm和18mm。一輛每小時消耗85kW功率的的特斯拉電動汽車搭載的動力電池，至少需要7000節單體電池提供動力。一輛電動汽車的動力電池由如此多的單體電池組成，其中每節單體電池都需要單獨制造。加上電化學特征的影響，導致部分二次鋰離子電池投入使用后儲存性能存在一定差異。在動力電池充電過程中，需要從一個充電口為所有電池充電，如何能夠在所有電池充滿的情況下不損害電池性能，成為汽車制造行業需要深入研究和探索的重要課題，而采用BMS系統能夠有效解決以上困惑。結合BMS系統運行情況來看，一般需要通過控制模塊和檢測模塊對電池組進行管理［4］。其中檢測模塊工作內容較為簡單，即通過傳感器，對電池使用過程中的單體電池或電池組電流、電壓、溫度等信息和數據進行收集，從而為電池組管理提供準確依據。可以說沒有這些準確可靠的數據信息作為支撐，那么電池系統管理也就如同紙上談兵，沒有實質意義。結合傳感器收集到的各種數據，能夠使BMS系統根據不同單體電池的實際情況，對電池充電進行合理分配，在充電過程中如果某一單體電池電量充滿，可以及時停止，避免持續充電對電池造成損害。同時，在BMS系統運行中，還能夠采用狀態估算方式，掌握所有電池單體的運行狀態，通過SOH、SOC等管理方式有效提高電池利用率。雖然這一管理過程通過文字敘述來看較為簡便，但足以突出BMS系統的精華和特點，這也是當前BMS廠家致力于攻克的技術難關。現階段，電動汽車的電池管理系統主要有兩種模式，一種為主動式均衡管理模式，另一種為被動式均衡管理模式。兩種管理模式具備各自的優勢和缺陷，管理方式都是通過采集單體電池或電池組電流、電壓、溫度等數據信息，將其傳送給預算模塊［5］，而后經過處理形成運行指令，并通過CAN通訊系統傳送到電動汽車中央控制單元，以此完成控制管理工作。當前，我國主流電動汽車使用的BMS系統大多具備被動均衡管理技術，同時兼具主動均衡技術儲備。BMS廠家所提供的配置單中，主動均衡技術通常為“選配”功能。這是因為被動均衡技術本身具有裝機量大的特點，在主流汽車市場占據地位較高，并且遠遠超出主動均衡技術。由于我國汽車行業起步較晚，所以目前生產的電動汽車依然以中低端產品為主，從配置和成本等角度進行分析，使用被動均衡技術更加劃算。隨著汽車產品性能、質量的不斷提高，對BMS系統的要求也越來越高，這也意味著未來發展中主動均衡技術勢必會成為主流。隨著汽車電氣化水平的不斷提高，BMS系統也會在HEV電池、低壓啟動電池、PHEV電池等電池系統中廣泛使用。由于低高壓系統之間存在較大差異，并且不同車場、不同應用平臺的電池系統不盡相同，加上不同企業具備自己的風格和設計理念，所以在未來發展中高低壓系統之間的相似性也會日益突出。

4BMS系統的主要構型

4．1集中式BMS系統

集中式BMS管理系統是將所有采集電壓、溫度等參數的裝置集中在一塊BMS板中，使其對電動汽車的繼電器控制盒進行直接控制。當前，絕大多數的HEV都是這種集中式結構。結合實踐來看，集中式BMS結構具有成本低、集成化特點，并且將設備集中在一起，能夠為通信提供便利。但與此同時也存在一定缺陷，就是單體采樣線束較長，為采樣工作增加難度，增加了導線設計復雜程度w。

4．2分布式BMS系統

分布式BMS系統是將電池組不同功能分離開來，使整個系統形成不同控制器形式，即S－Box控制器、整車控制器、電池管理控制器、單體管理單元等形式。例如：日系的Outlander和Models及德系的13、18等就是典型的分布式BMS系統。

5基于BMS的電動汽車電池管理系統設計方法

5．1BMS系統整體設計思路

電動汽車的電池管理系統主要由主控模塊、顯示模塊、采集模塊和均衡模塊構成。在整體設計中，可以遵循以下思路：a．采集模塊。需要在電池箱中安裝相應數量的單體電池和風扇控制裝置，并設置溫度測量點。b．均衡模塊。如果電池箱中的單體電池電壓存在差異，并且超出標準值，同時充電電池低于規定值時，能夠對其進行自動化均衡控制。c．主控模塊。該模塊主要對下層面進行監督控制，即對電池組總電壓和總電流進行監督、檢測和控制。并使用CAN總線與其他模塊相連接，實現快速通信、信息傳遞基本目標。d．顯示單元。選擇合理尺寸的顯示器，借助主芯片實施控制方案，確保能夠通過顯示器實時監督電池組運行狀況，使其始終在穩定環境下安全運行［7］。

5．2硬件設計方法

a．采集模塊硬件設計。控制系統是BMS系統的核心部分，想要充分發揮其控制作用，就要合理選擇硬件設施。具體來說：在CPU選擇過程中，可以選擇CAN控制模塊中的DSPIC30F等芯片，同時選擇型號為MCP2551的CAN收發器，利用CAN總線，將控制系統連成一體，為快速通信提供保障。另外，在電池電壓取樣過程中，可以擇優選取12位精度的ADS7841，通過差分采樣方式，盡可能規避各種干擾因素。差分采樣方式能夠使電動汽車的電池組和檢測電路相互分離。為了保證溫度測量數據準確無誤，可以選擇型號為DS18B20型號的溫度傳感器，并對電箱中的溫度測試點進行準確測量。對于電動汽車而言，由于其運行過程中所處環境不盡相同，所以用電環境也存在復雜性特點，經常會受到電磁波干擾，容易影響在線監督檢測效率和質量，導致BMS系統無法正常作業。對此，可以將高速光耦隔離器設置在CAN收發器和CPU芯片之間，如此能夠增設瞬變二極管，使二者共模供電。此外，單片機工作電源在運行過程中，需要與地線隔離開來，如此可以有效規避地線竄擾事故發生。b．主控模塊硬件設計。主控模塊主要包括兩部分：第一，與上文分析的采集模塊相通，為了避免各種干擾因素，需要在硬件設計中采用各種防干擾措施，確保電池在各種環境下依然安全運行；第二，對電源總電流進行合理采樣，并進行二檔設計，確保將電流控制在合理范圍內，測量精度應在0．5％范圍內［8］。主要設計方式如下：選擇DC24V±30％供電電源，電壓測量范圍的精度為0750V，允許誤差范圍在0．5％以內；SOC估算精度控制在8％以內，運行溫度控制在－25？70°C范圍內。c．顯示模塊硬件設計。顯示模塊的硬件設計需要從三個方面分析：第一，選擇型號為SAM9263的芯片，該芯片屬于汽車級別芯片，能夠充分保證BMS系統的安全性和穩定性，同時全面落實ARM方案，對電源進行重新設計；第二，在上位PC之間連接CAN總線，通過光耦隔離器做好防干擾工作，同時分別設計主板與核心板；第三，顯示器選擇真彩觸摸屏，并進分辨率高，且易于操作。d．電池采集樣路。該環節是BMS系統設計中的主要環節之一，可以通過差分輸入方式設置電池電壓，同時安裝光耦繼電器完成切換工作。電路設計相對于其他設計而言較為筒單，并且能夠提高測量精度。在溫度取樣過程中，可以選擇總線方式進行設計，并盡可能少的使用傳感器設備，以節約設計成本。

5．3軟件設計方法

5．3．1主控模板設計方法。系統供電后，需要設計人員做好系統初始化設計工作，并結合實際情況設置各種參數，同時對外設進行初始化和科學設置。完成后進入主循環，在此過程中要準確檢測電流，并對SOC進行科學計算，對總電壓進和絕緣性能進行檢測，對數據信息進行處理，判斷是否存在故障情況，將相關數據儲存［9］。5．3．2數據處理設計方法。對SOC進行估算，該工作能夠直接決定數據處理結果是否準確。從整體方面進行分析，數據處理和SOC估算對整個BMS系統運行起到決定作用。具體包括以下內容：充分了解溫度、電壓、電流、充放電功率的最大值和最小值，這需要設計人員通過準確計算得出具體數據。對于SOC估算而言，需要采用按時計量方式，運用電池的OCB和SOC相連形成的曲線，對SOC進行校正。5．3．3從控模板設計方法。系統上電完畢后，需要對系統進行初始化，并對其中的重要參數進行賦值。對于各種外設，在將其設置在合理位置的基礎上，也要做好初始化工作。完畢后在主循環單元完成以下操作，首先對電壓進行檢測，而后進行均衡控制，接下來檢測溫度，并完成熱管理工作。

6結語

當前我國涉及到BMS的企業越來越多，在一定程度上增加了市場競爭的壓力。結合企業發展情況來看，呈現出兩級分化嚴重的問題，并且大部分企業同質化現象嚴重。對此，需要企業加大創新力度，進一步創新BMS系統，使其在電動汽車中發揮更大作用。

作者:詹大琳 黃麗瑩 盧欣欣 單位:江蘇工程職業技術學院