EV技术介绍9- 电池管理单元BMS

1. BMS的作用

因为锂离子电池的理想使用范围受限很大，在使用过程中必须进行管理，尤其在动力电池的应用场景下。会面对如爆炸、鼓胀、变形等危险。电池的性能和自身的状态 SOC/SOH/温度及环境温度有很大关系。

电池的容量capacity，阻抗impedance、自放电率self-discharge rate 也不一致，所以需要对电池包进行均衡管理。

BMS，Battery Management system，电池管理系统，主要的作用有：- 电池状态监测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理和电池信息管理等功能；

图1 BMS系统功能

2. BMS系统架构

我们在讲电池包的时候说过，电池包是通过更小的电池单元组成的，那BMS系统就需要综合考虑对单个电池或模块，还有整体电池做一个管理；

图2 一个典型的BMS架构

BMS是典型的模块结构，由CSU（cell supervisor unit ）、BJB（battery junction box）和BMU（battery management unit）组成；不同的厂家有不同的名字，但是基本功能上是一致的；

1）CSU，从每节电池通过采集电压、温度的方式，收集参数化的信息。通过电池平衡 cell balancing 来帮助补偿电池之间的不一致；

2）BMU，必须配合从CSU获得的参数化信息，检测Pack的电压和电流，来进行Pack管理；依据采集到的电压、电流和温度数据，BMU负责分配如何充电和放电到电池，依据整体和每一个电池的条件；持续监控电池条件，通过计算SOC、SOP和SOH；智能保护控制，执行绝缘监控，控制连接器在碰撞或者短路；持续监控温度传感器，执行诊断，检查所有输入参数；信息传递给VCU或者ECU通过CAN；

3）BJB，这里主要是连接器和保险，没有电子设备；

图3 简化CSU框图

CSU在实际Pack中的电池紧密运行，连接电池监控设备线束和确保高效关键Pack数据传输回Host BMU；如果没有CSU，相应电池包状态信息就少见，从CSU出来的诊断数据使能SOH和SOC预测，直接影响系统安全目标。 凭借高精度监控，算法可以提供对驱动和每次充电最大利用的极度准确预测。CSU提供电池状态测量的细节信息，来最大化电池包利益；

图4 智能电池盒子BJB

传统BJB只有机械元件，智能BJB引入可控硅 active silicon devices到BJB，可以进行高压监控，电流采集和绝缘检测等；1）高压、低压域分开，高压信息仅在BJB中测量，BMU完全是低压设计；2）Pack监控采用菊花链daisy-chain接口预测数字隔离设备，菊花链支持分布电容隔离；

图5 BJB系统框图

BMU包含通信芯片和MCU，从CSU和BJB的菊花链传递信号，计算电池状态，返回错误或者诊断。

图6 BMU系统框图

菊花链Daisy-chain，是为解决一主多从通信的典型解决方案；如前文所述，电池包是一个比较复杂的，由一个个小电池组成的庞然大物，而一组小电池会组成一个模块，而若干模块组成一个电池包；在这个场景中，为了有效地实现对每一个电池的安全覆盖，就要求这些模块将所属电池的状态传递到BMU，进行综合管理；

图7 菊花链 Daisy-chain wiring

如图，可以通过一个主控制器BMU，采用菊花链的方式串联几个从控制器，注意，这些从控制器是共用时钟信号、触发信号，每一个从芯片的输出是下一个芯片的输入，连成一串，最终接受一个综合的信息，可以反应出哪个模块出了问题，下面这个图更确切；

图8 分布式BMS

如图，主控BMU可以控制主回路继电器和对外通信；通过采集主回路电流，来保证整个电池包的安全；左侧部分就是一个一个的电池模块，通过菊花链的方式通信，将监控信息统一汇总到BMU，既实现了对大的电池包的监控，也实现了对每个电池模组的监控，实现了双重的保险；

图9 分布式BMS

图中描述了从模块slave的主要功能：电源平衡和滤波，而电池平衡这个就比较重要，整车有300多个电池，怎么保证每一个电池的充电、放电都一致（同生、同灭）呢？

3. BMS的具体功能

1）电池平衡 cell balancing

顾名思义，就是这么多的小电池，要保证电池的电压是均衡的，不至于有的高，有低；放电和充电都比较危险，平衡进行；

图10 by-pass resistor 电池平衡方法

每一个电池通过串联一个电阻、并联一个电容，然后和FET管子连接到MCU，MCU会采集不同cell的电压，一旦其中电压超过其他的电压，就会将相应的FET管子打开，通过R、C电路放电，直到和其他电池电压相同，实现平衡；

图11 Charge shuttles

图中的Sw1，Sw2是Single pole double throw单点双置开关，这个方法利用电容将电荷从高压cell传递到低压cell，从而达到平衡；初始连接高压 cell，电容充满后，开关闭合到低压cell，对低压进行充电；

图12 Inductive converters

DCDC章节讲过，这里包含了一个buck-boost电路，既可以升压，也可以降压；高压电池可以对电感充电，然后释放给低压电池，完成平衡；

2）SOC

State of charge，充电状态，用百分比的能量水平表示，

有很多方法确定SOC，电流时间积分方法 ampere-hour intergral method，高效随时间按照电流来量化电量，提供动态，持续更新；OCV open circuit voltage，通过直接计算电压和充电水平的关系来评估能量；还有更复杂算法 EIS，electrochemical impedance spectroscopy，ECM，equivalent circuit models等等方法；

图13 充电曲线

3）SOH

State of health，指示电池衰减和存在电池电量的测量；

Qmax最大充电量，Cr是额定电量，随着电池的使用，电池会存在衰减的情况。

图13 SOH的标准方法

4）充电、放电管理 charge/discharge management

电池的充电复杂度取决于电池的类型和恢复时间，充电主要分成快充和慢充两个模式于

图13 电池模型

（1）慢充，trickle charging- 滴充，充电电流满足不伤害电池；充电率主要取决于电池的化学特性和结构；这方法不需要end-of-charge detection电路，结构简单，不会伤害电池；一般是充电电流是c/10(c A-hr rating)

注* 如果电池充满后，再进行充电，会导致电池内部产生气体，需要有泄放压力的渠道，不然就会引起爆炸；

（2）快充，充电率是1.2c, 需要在一定温度范围内充电（10~40°）；低温快充很容易使得内压增大；限制最大安全充电电流的因素是：the internal impedance of cell，电池的内部阻抗，因为P = I2*R，所以阻抗大，产生的热量就大；如果充满电后，继续充电，会导致电池温度和内部压力迅速增加，有的类型电池排气会产生氧气、氢气，这就非常危险了；所以快充需要管理和end-of-charge detection（通过电压或者温度来判断电池是否充满电）；充电和放电都有较为成熟的芯片解决方案；

图14 充电、放电框图

如图，通过BMS的整体控制，可以实现对动力电池包的充电、放电，与此同时，进行电池的SOC、SOH、电压、电流等指标的监控，确保在电池包一侧保证电动车的用电安全。

5）电池监控 cell monitoring

主要是对单个电池cell的监控，和整体电池包的监控，之前提及；