电动汽车高压动力电池管理系统（High Voltage BMS）设计

狄新辉

（英飞凌科技，上海 200003）

0.引言

随着能源紧缺、石油涨价、城市环境污染的日益严重，替代石油的新能源的开发利用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中，电池系统是其中不可或缺的重要组成部分。其中锂电池以高能量密度、高重复循环使用次数、重量轻以及绿色环保等优势越来越受到人们的关注，所以在手机、笔记本电脑、电动工具等便携式手持设备中已经得到广泛的应用，并已经开始进入电动车、电动汽车等大功率的应用中，成为全球电动汽车发展的热点，因此BMS也就成为电动汽车的一项关键技术[1]。

在电动车快速普及的今天，电池寿命和安全问题仍然是困扰消费者和生产厂商的一个难题。如何对电池进行科学有效管理，成为众多新能源电池厂商技术攻坚的突破口。行业背景和趋势下，BMS成为行业重点发展的方向，作为连接车载电池和电动车的重要纽带，BMS能够实时估测电池的荷电状态，功能状态，健康状态，检测电池使用状态，并对电池该如何发挥作用进行直接管控。除此之外，BMS还要跟整车系统进行信息交换，解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。本文针对BMS系统设计提出一个整体的解决思路，一方面详细地阐述了BMS系统设计中有哪些是关键技术，哪些是重点技术，以及未来BMS的发展道路方向；另一方面也为从事BMS系统开发的工程人员提供相应的系统技术思路。只有对BMS系统构架和应用有清晰的认识才能正确地设计出满足不同系统应用的BMS，才能让电池真正发挥出更高、更安全的供能作用，让电动车在未来的发展中有更美好的前景。

1. BMS关键技术概述及特点

电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量（SOC）、放电功率，报告电池健康程度（SOH）和剩余容量（SOC）状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电。

1.1 电池参数测量

1.1.1 基本信息测量

电池电压、电池电流、电池包温度的监测是最基本电池测量功能，其中测量电池单体的电压电流和温度非常重要，它是所有电池管理系统顶层设计和控制逻辑的基础，因此测量电路的设计就变得极为重要，一方面要考虑电路的可靠性；另一方面要考虑测量的准确性 。

1.1.2 绝缘电阻检测

电池管理系统内需要对整个电池系统和高压系统进行绝缘检测，能保证系统在绝缘出现问题或者是系统存在漏电路径的时候能提供可靠的安全保护机制，对整体高压系统来说意义重大。

1.1.3 高压互锁检测（HVIL）

用来确认整个高压系统的完整性，当高压系统回路完整性受到破坏的时候启动安全措施，能保障高压系统的可靠性，避免因拉电弧等引起的火灾故障。

1.2 电池状态参数估算

1.2.1 SOP（State of Power）

主要是通过温度和SOC查表得到当前电池的可用充放电功率，整车控制器（VCU）根据发送的功率值决定当前整车如何使用。需要兼顾考虑释放电池能力和对电池性能进行保护。

1.2.2 SOH（State of Health）

主要表现当前电池的健康状态，数值为0%～100%，一般认为低于80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示，用容量时即通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池衰减时其他模块的估算精度。

1.3 系统高低压管理

BMS低压唤醒和系统自检通过后等待整车控制器（VCU）发送高压上下电指令，包括主+、主-，充电继电器+、充电继电器-、预充继电器的打开闭合。

1.4 充电管理

1.4.1 慢充

由交流充电桩（或220V电源）通过车载充电机（OBC）将交流转化为直流给电池充电，BMS和OBC之间通讯一同来完成慢充控制。

1.4.2 快充

是由直流充电桩输出直流给电池充电，BMS和DC充电桩进行通讯，随时监测充电状态以保证充电安全。

1.5 故障诊断

针对电池的不同表现情况，区分为不同的故障等级，并且在不同故障等级情况下BMS和VCU都会采取不同的处理措施，发出系统警告，限制功率或直接切断高压。故障包括数据采集及合理性故障、电气故障（传感器和执行器）、通讯故障及电池状态故障等。故障诊断数据可以保存在BMS的存储器里用作系统故障分析，从而帮助更好地改进系统设计[2]。

BMS作为动力电池核心控制系统，直接影响动力电池的使用寿命及电动汽车的安全运行与整车性能。对续航具有重大的影响，决定着新能源汽车的未来，做好电池管理系统，将极大地促进新能源汽车的发展。

2. BMS在电动汽车中的应用分析

锂动力电池作为主流的系统供电电池具有能量密度高，容量大，运行时间长的特点，所以对电池管理系统（BMS）在锂动力电动车上的应用提出了新的要求。从拓扑架构上看BMS根据不同项目需求分为集中式（Centralized）和分布式（Distributed）两类，按照通讯方式分则分为有线通讯和无线通讯BMS。

分布式的BMS架构能较好的实现模块级（Module）和系统级（Pack）的分级管理。由从控单元CSC负责对Module中的单体进行电压检测、温度检测、均衡管理以及相应的诊断工作；由高压管理单元（HVU）负责对Pack的电池总压、母线总压、绝缘电阻等状态进行监测；且CSC和HVU将分析后的数据发送至主控单元BMU（Battery Manangement Unit），由BMU进行电池系统BSE（Battery State Estimate）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、以及执行对内外通信网络的管理。

有线通讯BMS每块电池连接监测器，监测器向控制器报告关键信息，进而计算相关的BMS 参数以供系统使用。无线通讯BMS 电池组间可以通过无线的方式来通讯和汇总关键信息，从而简化电池包的布线设计以及整体电池包的工艺，减轻电池包的重量，提高电池的使用效率，增加系统的可靠性和稳定性。

3.结论

未来，动力锂电池在电动汽车领域中具有广阔的前景，电池管理系统将对于电池安全使用，以及和车辆管理的沟通起着关键的桥梁作用。电池管理技术包括硬件设计技术和软件设计技术，其中高压混合信号处理技术及芯片设计是硬件设计核心，不仅是保证在汽车环境下实现高可靠、高速、高精度信号采集和处理的关键，也是提高测试覆盖率、支持在线检测和降低成本的关键。而软件的核心则包括电池管理的算法，通讯协议的支持以及动力总成的相关技术等。