1.4 动力电池管理系统

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。典型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、固化有各种算法的控制器以及信号线等组成。其主要任务是确保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，而且在出现异常情况下对动力电池系统采取适当的干预措施；通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息；运用既定的算法和策略估算电池组SOC、SOH、SOP以及剩余寿命(Remaining Useful Life，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配控制提供依据。

1.4.1 BMS的基本功能

BMS的主要功能有数据采集、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。

1.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，随着路况和驾驶人操纵方式的改变，动力电池需要时刻适应急剧变化的负载。为了准确获取动力电池的工作状况，更好地实施管理对策，BMS需要通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息。

2.状态监测

动力电池是一个复杂的非线性时变系统，具有多个实时变化的状态量。准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，运用既定的算法和策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，具体包括动力电池的SOC、SOH、SOP以及能量状态(State of Energy，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主要指动力电池及其成组的在线故障诊断及安全控制。动力电池的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通常包括过电压(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、绝缘能力降低以及电解液泄漏，还涉及传感器、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需要进行早期预警，并尽可能采取相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通常需要集成一个充电管理模块，根据动力电池的实时特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给电池进行安全充电。

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、上下坡等驾驶操作的随机触发将造成复杂多变的动态负载。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配动力电池的能量，以保证复合电源的最佳性能。

6.均衡管理

由于生产工艺、运输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。为了充分发挥电池单体的性能，保证电池组的使用安全，BMS需要根据动力电池单体的信息，采取主动或被动的均衡方式，尽可能降低动力电池单体在使用过程中的不一致性。

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，决定主动加热/散热的强度，使得动力电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥动力电池的性能，延长动力电池的使用寿命。

8.信息管理

BMS需要集成多个功能模块，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。随着大数据时代的发展，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。

1.4.2 BMS的拓扑结构

设计电动汽车时，通常需要满足一定的加速能力、爬坡能力和最高车速等动力性指标，若只配备单个动力电池单体作为能量源是远远无法达到要求的。因此，工程上通常将动力电池单体进行串并联成组，以满足车辆设计的技术要求。例如，特斯拉Model S电动汽车采用松下公司制造的NCA系列18650镍钴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多个电池单体进行串并联成组，最终组成一个动力电池包，并安置于车身底板。面对大规模的动力电池管理问题，BMS的拓扑结构非常重要。

BMS的拓扑结构直接影响系统成本、可靠性、安装维护便捷性以及测量准确性。一般情况下，电池监测回路(Battery Monitoring Circuit，BMC)与电池组控制单元(Battery Control 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结构关系，BMS可分为集中式拓扑结构和分布式拓扑结构。

集中式BMS拓扑结构中的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合。集中式BMS拓扑结构如图1-4所示，所有动力电池单体的测量信号被集中传输到单个电路板。

集中式BMS拓扑结构一般具有如下优点：

①高速的板内通信有利于保证数据的同步采集。

②结构紧凑，抗干扰能力强。

③成本较低，仅使用一个封装即可完成BMS的全部工作。

同时，集中式BMS拓扑结构也存在以下缺点：

①容易造成大量复杂的布线。

②当系统的不同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，不同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。

与集中式拓扑结构不同，分布式BMS中的BCU与BMC是分开布置的，如图1-5所示。BCU主要负责故障检测、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总线的一个节点，且单独与对应的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拓扑结构一般具有如下优点：

①采集与计算功能分离，故障排查容易，计算效率高。

②极大简化了系统的结构，布置位置灵活，适用性好。

③可扩展性更强，若想要增加或减少管理的电池数量，只需要在相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。

同时，分布式BMS拓扑结构也存在以下缺点：

①部件增多，增加了电路板数量和安装、调试与拆解的步骤。

②通信网络设计要求高，易形成网络延时，影响采集数据的同步性。

目前，分布式BMS拓扑结构在电动汽车领域中的应用最为广泛。例如，特斯拉Model S、宝马i3、荣威eRX5以及比亚迪秦等商业化电动汽车均采用了这类结构。

1.4.3 BMS的开发流程

BMS的基本开发流程如图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的开发，都是从整车的功率要求、能量要求以及其他设计要求出发，再进一步确定整车对动力电池及管理系统的具体要求。在动力电池的开发方面，首先需要对动力电池进行选型，并开展一系列的动力电池单体特性测试以及循环寿命测试，获取所选动力电池的性能特性，进而确定动力电池的成组方式，包括动力电池单体串并联的数量以及具体的布置形式。在BMS开发方面，首先需要进行选型，再确定系统拓扑结构以及需要满足的基本功能和指标(包括防水、防尘、抗振等)。在确定动力电池成组方式、BMS拓扑结构以及基本功能和指标后，可以有针对性地开展系统的安装固定等机械结构设计、电子元器件/电路板设计以及底层驱动和应用层算法设计。在完成系统开发之前，还需要对BMS进行不同类型的测试，以确保系统设计的完整性和安全性。