一文带你看懂新能源汽车电池管理系统

2012年6月，特斯拉电动汽车ModelS正式上市，续驶里程为483km。这是世界第一款真正实用的长续驶里程纯电动汽车，给人们带来了对纯电动汽车的巨大信心，鼓励更多的高性能电动汽车不断推出。Model S实现长续驶里程的最核心技术，应是特斯拉创新设计的电池管理系统(Battery Management System, BMS）。

一辆电动汽车的动力蓄电池由成百上千块电芯(也称单体电池)组成，比如特斯拉Model S的电池组就由7000多块电芯组成。尽管电池制造工艺已经让各个电芯之间的差异化缩小，但是电芯之间仍然存在内阻、容量、电压等差异，使用中容易出现散热不均或过度充放电等现象。时间一长，就很可能导致电池损坏甚至爆炸的危险。因此，必须为动力蓄电池配备一套具有针对性的电池管理系统，像管家那样照料电池，保证电池处于正常工作状态。

一.蓄电池管理系统的组成

蓄电池管理系统在硬件上可以分为主控模块和从控模块两大部分。蓄电池管理系统主要由数据采集单元(采集模块)、中央处理单元(主控模块)、显示单元、均衡单元检测模块(电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测)、控制部件(熔断器、继电器)等组成。中央处理单元由高压控制电路、主控板等组成;数据采集单元由温度采集模块、电压采集模块等组成，它们一般采用CAN总线技术实现相互间的信息通信。

1.主控模块

主控盒。主控盒是动力蓄电池管理系统的控制中心，用来控制总正继电器、加热继电器以及预充继电器，还通过CAN总线与VCU进行通信。下图为特斯拉model 3主控盒电路板。

2.从控模块

从控盒。从控盒用来分别采集左右动力蓄电池组的蓄电池单体电压和动力蓄电池模组温度，然后通过CAN总线将信息输送给主控盒。下图为特斯拉model 3从控盒电路板。

二.蓄电池管理系统的分类

随着对于磷酸铁锂动力蓄电池一致性较差、三元锂热失控风险更大的问题暂时还不能完全解决，动力电池厂商的工程师们，除了在动力电池包结构上改进，工艺和散热要求提高之外，对BMS的功能也提出了新的要求。按照采集模块和主控模块在实体上的分配布置不同，BMS分为成集中式和分布式两类。

1.集中式蓄电池管理系统

集中式蓄电池管理系统将所有的采集单体蓄电池电压和温度的单元全部集中在一块BMS板上，由整车控制器直接控制继电器控制盒，大部分低压HEV都是这样的结构。集中式BMS全部电压、温度、电流采集信号线直接连接到控制器上，采集模块和主控模块的信息交互在电路板上直接实现。集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、总电压低、蓄电池串数比较少、蓄电池系统体积小的应用场景中，比如在总电压比较低的小型车上。

集中式BMS硬件可分为高压区域和低压区域。高压区域负责进行单体蓄电池电压的采集、系统总电压的采集、绝缘电阻的监测。低压区域包括供电电路、CPU电路、CAN通信电路、控制电路等。其优点是省去了从板，进而省去了主板和从板之间的通信线束和插口，造价低，信号传递可靠性高;其缺点是全部线束都直接走线到控制盒，无论控制器布置在什么位置，总有一部分线束过长，信号受到干扰的概率增加，对线束质量和制作水平以及固定方式有较高要求。

2.分布式蓄电池管理系统

分布式蓄电池管理系统是将蓄电池模组的功能独立分离(模组和CSC一配一的方式)，整个系统包括单体蓄电池组管理单元(CSC)、蓄电池管理控制器(BMU)、继电器控制器和整车控制器。形式上，它由一个主控盒和几个从控盒共同组成，主控盒只接入通信线、信号线、电源线等必须有的线束;而从控盒，则布置在需要采集温度、电压的蓄电池模组附近，从控盒把采集到的信号通过CAN线报告给主控模块。有的电池模组直接把电压、温度采集线放在模组内部，用一个线对线插接器引出，蓄电池包组装时，直接对插插接器即可。

分布式的BMS架构能较好地实现模块级和系统级的分级管理。局部从控单元LECU(Local Electronic Control Unit, LECU)负责对模块中的单体蓄电池进行电压检测、温度检测、均衡管理以及相应的诊断工作;高压管理单元(HVU)负责对蓄电池包中的蓄电池总电压、母线总电压、绝缘电阻等状态进行监测(母线电流可由霍尔式传感器或分流器进行采集)。LECU和HVU将分析后的数据发送至主控单元蓄电池管理控制器(Battery Management Unit, BMU)，由BMU对蓄电池系统进行评估、电系统状态检测、接触器管理、热管理、运行管理、充电管理、诊断管理、通信网络管理。

分布式BMS的优点是可以将模组装配过程简化，其采样线束固定起来相对容易，线束距离均匀，不存在压降不一的问题，当蓄电池包大了以后，这种模式就很有优势了。其缺点是成本较高，需要额外的微控制单元(MCU)，独立的CAN总线支持将各个模块的信息整合发送BMS，所以总线的电压信息对齐设计也相对复杂。这种方案系统成本最高，但是移植起来最方便。采用分布式BMS的蓄电池包可大可小，主要应用于高电压系统、蓄电池串数多或者一辆车上布置几个蓄电池箱的情况(如商用车)。分布式BMS的成本有小幅提高，但同时减少了线束，降低了现场接线工作量，也就降低了接线错误的概率。分布式BMS适合大批量、自动化生产的设计形式。

三.蓄电管理系统的功能

不同生产厂家和型号的电池管理系统，其性能也不尽相同，但一般都具有以下基本功能。

1.测量功能(信息采集)

（1）基本信息测量（蓄电池电压、电流信号、蓄电池包温度的检测）蓄电池管理系统最基本的功能就是测量单体蓄电池的电压、电流和温度，这是所有蓄电池管理系统顶层计算、控制逻辑的基础。

（2）绝缘电阻检测 蓄电池管理系统内，一般需要对整个蓄电池系统和高压系统进行绝缘检测，比较简单的方法是依靠电桥来测量总线正极和负极对地线的绝缘电阻。目前在蓄电池包里面应用比较多的是主动信号注入，它可以检测单体蓄电池对系统的绝缘电阻。

(3)高压互锁检测(HVIL)  高压互锁的目的是确认整个高压系统的完整性，当高压系统电路断开或者完整性受到破坏时，需要采取安全措施。

2.状态估算功能

(1)SOC和SOH估算 蓄电池管理系统中最核心也是最难的一部分就是SOC和S0H的估算。SOC估算常见的方法有安时积分法(SOCI)和开路电压标定法(SOCV)，安时积分法最大的问题是随着时间的推移误差会越来越大;开路电压标定法的问题是蓄电池需要在静置很长时间以后，开路电压对应的SOC才是准确的，汽车行驶时采集的电压用来标定SOC是不准确的。实际应用中，一般以SOCV为主。

（2）均衡 串联的蓄电池包总是会出现不均衡的现象。在实际使用过程中，每个串联的单体蓄电池输出容量是不一样的。而蓄电池不仅有过放电和过充电的限制，而且在不同温度和不同SOC下，输入和输出的功率也存在限制。因此，单体蓄电池的限制，会影响到整个蓄电池。若单体蓄电池受到损害，会出现持久性的问题。

（3）蓄电池功率限制 新能源汽车中的蓄电池容量是不同的，锂蓄电池系统为整车特别是电机提供能量，需要满足电机的功率要求。而一定容量的蓄电池在不同的SOC，不同的温度下，其输入和输出的功率是有一定限制的。实际的运行中，混合动力电池包SOC窗口开的很小，纯电动汽车用的非常宽，用完就结束使用，而插电式混合动力在蓄电池耗尽的时候，则需要考虑输出功率的限制。蓄电池管理系统需要发送给整车控制器一个功率限制参数，这是根据一个三维表核算出来，包含温度、SOC、蓄电池容量。

3.辅助系统功能

辅助系统功能一般与整车控制系统或者其他相关的系统配合使用。

（1)继电器控制功能 蓄电池包内一般有多个继电器，蓄电池管理系统至少要完成对继电器的驱动供给和状态检测，继电器控制往往是和整车控制器协调后确认控制器状态。例如安全气囊控制器输出的碰撞信号一般与继电器控制器断开直接关联。蓄电池包内继电器一般有主正、主负、预充和充电继电器，在蓄电池包外还有独立的配电盒对整个电流分配进行更细致的保护。闭合、断开的状态以及开关的顺序对蓄电池包的继电器控制都很重要。

（2）热管理控制功能 蓄电池的化学性能受环境的温度影响非常大，为了保证蓄电池的使用寿命，必须让蓄电池工作在合理的温度范围之内，并根据不同的温度为整车控制器提供其所能输出和输入的最大功率。蓄电池管理系统的温度控制主要用到CFD仿真分析，即如何使用最少的温度传感器来有效地监测整个蓄电池包的温度分布，并将监测信息反馈给蓄电池管理系统和整个蓄电池温度管理系统，从而控制整车和蓄电池系统的散热和加热。

（3）充电控制功能 蓄电池管理系统的一种主要模式是监控蓄电池系统在充电过程中蓄电池的需求。在交流充电过程中，BMS需要实现PWM的控制导引电路的交互;在直流充电过程中，特别需要注意在较高SOC下允许充电的电流。在国标系统中，蓄电池管理系统被要求直接与外部建立通信，交互充电过程中的信息。理论上说，此功能的设计，可以迁移到不同的模块上，否则蓄电池管理系统的睡眠唤醒机制就会显得有些复杂。

4.通信与故障诊断功能

（1）通信功能 蓄电池管理系统需要给整车控制器发送蓄电池系统的相关信息，在有直流充电的系统中(特别是在国标系统中)需要直接与外部直流充电桩进行通信。在某些时候，可能还要有一条备份的诊断和刷新的通信线，用来在主通信线失效的情况下进行数据传输。

(2)故障诊断与容错控制 运行故障诊断及容错控制在任何控制器当中都是非常重要的，蓄电池管理系统的故障也会以故障码（DTC）的形式来报警，通过DTC 触发仪表板中的指示灯来提醒驾驶人。由于蓄电池的危险性，往往需要车联系统直接进行信息传送，以应对突然出现的事故。比如当发生事故，安全气囊弹出的时候，继电器由整车控制器直接切断以后，车联系统通过定位和预警来处理，并将蓄电池放电。故障诊断包括对单体蓄电池电压测量电路，蓄电池包电压、电流、温度测量电路的故障进行诊断，确定故障位置和故障级别，并进行相应的容错控制。