一個典型的動力電池管理系統，需要實現哪些功能（上篇）

電池管理系統，BMS（Battery Management System），是電動汽車動力電池系統的重要組成。它一方面檢測收集並初步計算電池實時狀態參數，並根據檢測值與允許值的比較關係控制供電迴路的通斷；另一方面，將採集的關鍵數據上報給整車控制器，並接收控制器的指令，與車輛上的其他系統協調工作。電池管理系統，不同電芯類型，對管理系統的要求往往並不一樣。那麼，一個典型的動力電池管理系統具體都需要關注哪些功能呢？今天翻譯整理了一篇文章，一起看看BMS的關鍵技術，整體內容分成上中下三個部分，今天是上篇。

1 前言

電動汽車用鋰離子電池容量大、串並聯節數多，系統複雜，加之安全性、耐久性、動力性等性能要求高、實現難度大，因此成為影響電動汽車推廣普及的瓶頸。鋰離子電池安全工作區域受到溫度、電壓窗口限制，超過該窗口的範圍，電池性能就會加速衰減，甚至發生安全問題。目前，大部分車用鋰離子電池，要求的可靠工作溫度為，放電時-20~55°C，充電時0~45°C（對石墨負極），而對於負極LTO充電時最低溫度為-30°C；工作電壓一般為1.5~4.2 V左右（對於LiCoO2/C、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/C、LiCoxNiyMnzO2/C以及LiMn2O4/C等材料體系約2.5~4.2 V，對於LiMn2O4/Li4Ti5O12 材料體系約1.5~2.7 V，對於LiFePO4/C 材料體系約2.0~3.7 V）。

溫度對鋰電池性能尤其安全性具有決定性的影響，根據電極材料類型的不同，鋰電池（C/LiMn2O4 ， C/LMO，C/LiCoxNiyMnzO2 ，C/NCM， C/LiFePO4 ，C/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2， C/NCA）典型的工作溫度如下：放電在-20-55℃，充電在0-45℃；負極材料為Li4Ti5O12 或者 LTO時，最低充電溫度往往可以達到-30℃。

當溫度過高時，會給電池的壽命造成不利影響。當溫度高至一定程度，則可能造成安全問題。如圖所示圖1中，當溫度為90~120 ℃時，SEI 膜將開始放熱分解[1 ~3] ，而一些電解質體系會在較低溫度下分解約69℃ [4]。當溫度超過120℃，SEI 膜分解後無法保護負碳電極 ，使得 負極與有機電解質直接反應，產生可燃氣體將[3] 。當溫度為130 ℃，隔膜將開始熔化並關閉離子通道，使得電池的正負極暫時沒有電流流動[5,6] 。當溫度升高時，正極材料開始分解（LiCoO 2 開始分解約在150 ℃[7] ，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在約160 ℃[8,9]，LiNixCoyMnzO2 在約210℃[8]，LiMn2O4 在約265 ℃ [1] ，LiFePO4在約310℃ [7] ）併產生氧氣。當溫度高於200℃時，電解液會分解併產生可燃性氣體[3] ，並且與由正極的分解產生的氧氣劇烈反應[9] ，進而導致熱失控。在0℃以下充電，會造成鋰金屬在負極表面形成電鍍層，這會減少電池的循環壽命。[10]

過低的電壓或者過放電，會導致電解液分解併產生可燃氣體進而導致潛在安全風險。過高的電壓或者過充電，可能導致正極材料失去活性，併產生大量的熱；普通電解質在電壓高於4.5 V時會分解[12]

為了解決這些問題，人們試圖開發能夠在非常惡劣的情況下進行工作的新電池系統，另一方面，目前商業化鋰離子電池必須連接管理系統，使鋰離子電池可以得到有效的控制和管理，每個單電池都在適當的條件下工作，充分保證電池的安全性、耐久性和動力性。

2 電池管理系統定義

電池管理系統的主要任務是保證電池系統的設計性能，可以分解成如下三個方面：

1）安全性，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現安全事故；

2）耐久性，使電池工作在可靠的安全區域內，延長電池的使用壽命；

3）動力性，維持電池工作在滿足車輛要求的狀態下。鋰離子電池的安全工作區域如圖1所示。

圖1為鋰離子電池的安全操作窗口

BMS由各類感測器、執行器、控制器以及信號線等組成，為滿足相關的標準或規範，BMS應該具有以下功能。

1）電池參數檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測（防止出現過充、過放甚至反極現象）、溫度檢測（最好每串電池、關鍵電纜接頭等均有溫度感測器）、煙霧探測（監測電解液泄漏等）、絕緣檢測（監測漏電）、碰撞檢測等。

2）電池狀態估計。包括荷電狀態（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態（SOH）、功能狀態（SOF）、能量狀態（SOE）、故障及安全狀態（SOS）等。

3）在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過採集到的感測器信號，採用診斷演算法診斷故障類型，並進行早期預警。電池故障是指電池組、高壓電迴路、熱管理等各個子系統的感測器故障、執行器故障（如接觸器、風扇、泵、加熱器等），以及網路故障、各種控制器軟硬體故障等。電池組本身故障是指過壓（過充）、欠壓（過放）、過電流、超高溫、內短路故障、接頭鬆動、電解液泄漏、絕緣降低等。

4）電池安全控制與報警。包括熱系統控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障後，通過網路通知整車控制器，並要求整車控制器進行有效處理（超過一定閾值時BMS也可以切斷主迴路電源），以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害。

5）充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊，它能夠根據電池的特性、溫度高低以及充電機的功率等級，控制充電機給電池進行安全充電。

6）電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小於組中最小單體的容量。電池均衡是根據單體電池信息，採用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式，儘可能使電池組容量接近於最小單體的容量。

7）熱管理。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強度，使得電池儘可能工作在最適合的溫度，充分發揮電池的性能。

8）網路通訊。BMS需要與整車控制器等網路節點通信；同時，BMS在車輛上拆卸不方便，需要在不拆殼的情況下進行在線標定、監控、自動代碼生成和在線程序下載（程序更新而不拆卸產品）等，一般的車載網路均採用CAN匯流排技術。

9）信息存儲。用於存儲關鍵數據，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數、故障碼和一致性等。車輛中的真實BMS可能只有上面提到的部分硬體和軟體。每個電池單元至少應有一個電池電壓感測器和一個溫度感測器。對於具有幾十個電池的電池系統，可能只有一個BMS控制器，或者甚至將BMS功能集成到車輛的主控制器中。對於具有數百個電池單元的電池系統，可能有一個主控制器和多個僅管理一個電池模塊的從屬控制器。對於每個具有數十個電池單元的電池模塊，可能存在一些模塊電路接觸器和平衡模塊，並且從控制器像測量電壓和電流一樣管理電池模塊，控制接觸器，均衡電池單元並與主控制器通信。根據所報告的數據，主控制器將執行電池狀態估計，故障診斷，熱管理等。

10）電磁兼容。由於電動車使用環境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時要求BMS對外輻射小。電動汽車BMS軟硬體的基本框架如圖2所示。

圖2 車載BMS的軟硬體基本框架

3 BMS的關鍵問題

儘管BMS有許多功能模塊，本文僅分析和總結其關鍵問題。目前，關鍵問題涉及電池電壓測量，數據採樣頻率同步性，電池狀態估計，電池的均勻性和均衡，和電池故障診斷的精確測量。

3.1 電池電壓測量（CVM）

電池電壓測量的難點存在於以下幾個方面：

1）電動汽車的電池組有數百個電芯的串聯連接，需要許多通道來測量電壓。由於被測量的電池電壓有累積電勢，而每個電池的積累電勢都不同，這使得它不可能採用單向補償方法消除誤差。

圖3 OCV曲線和每毫伏電壓的SOC的變化（在25℃測量，休息時間3小時）

2）電壓測量需要高精度（特別是對於C / LiFePO 4 電池）。SOC估算對電池電壓精度提出了很高的要求。這裡我們以C / LFP和LTO / NCM型電池為例。圖3顯示了電池C / LiFePO 4 和LTO / NCM 的開路電壓（OCV）以及每mV電壓對應的SOC變化。從圖中我們可以看到LTO / NCM的OCV曲線的斜率相對陡峭，且大多數SOC範圍內，每毫伏的電壓變化對應的最大SOC率範圍低於0.4％（除了SOC 60~70％）。因此，如果電池電壓的測量精度為10mV，那麼通過OCV估計方法獲得的SOC誤差低於4％。因此，對於LTO / NCM電池，電池電壓的測量精度需要小於10 mV。但C / LiFePO 4OCV曲線的斜率相對平緩，並且在大多數範圍內（除了SOC < 40％和65 ~80％），每毫伏電壓的最大相應SOC變化率達到4％。因此，電池電壓的採集精度要求很高，達到1 mV左右。目前，電池電壓的大部分採集精度僅達到5 mV。在文獻[47]和[48]中，分別總結了鋰電池組和燃料電池組的電壓測量方法。這些方法包括電阻分壓器方法，光耦合隔離放大器方法，離散晶體管的方法[49] ，分散式測量方[50] ，光耦合中繼方法[51] 等等。目前，電池的電壓和溫度採樣已形成晶元產業化，表1比較了大多數BMS所用晶元的性能。

表1 統計電池管理和均衡晶元

3.2數據採樣頻率同步性

信號的採樣頻率與同步對數據實時分析和處理有影響。設計BMS時，需要對信號的採樣頻率和同步精度提出要求。但目前部分BMS設計過程中，對信號採樣頻率和同步沒有明確要求。電池系統信號有多種，同時電池管理系統一般為分散式，如果電流的採樣與單片電壓採樣分別在不同的電路板上；信號採集過程中，不同控制子板信號會存在同步問題，會對內阻的實時監測演算法產生影響。同一單片電壓採集子板，一般採用巡檢方法，單體電壓之間也會存在同步問題，影響不一致性分析。系統對不同信號的數據採樣頻率和同步要求不同，對慣性大的參量要求較低，如純電動車電池正常放電的溫升數量級為1℃/10 min，考慮到溫度的安全監控，同時考慮BMS溫度的精度（約為1℃），溫度的採樣間隔可定為30 s（對混合動力電池，溫度採樣率需要更高一些）。

電壓與電流信號變化較快，採樣頻率和同步性要求很高。由交流阻抗分析可知，動力電池的歐姆內阻響應在ms級，SEI膜離子傳輸阻力電壓響應為10 ms級，電荷轉移（雙電容效應）響應為1~10 s級，擴散過程響應為min級。目前，電動車加速時，驅動電機的電流從最小變化到最大的響應時間約為0.5 s，電流精度要求為1%左右，綜合考慮變載工況的情況，電流採樣頻率應取10~200 Hz。單片信息採集子板電壓通道數一般為6 的倍數，目前最多為24 個。一般純電動乘用車電池由約100 節電池串聯組成，單體電池信號採集需要多個採集子板。為了保證電壓同步，每個採集子板中單體間的電壓採樣時間差越小越好，一個巡檢周期最好在25 ms內。子板之間的時間同步可以通過發送一幀CAN參考幀來實現。數據更新頻率應為10 Hz以上。

後面兩天的文章中涉及的BMS的關鍵功能還有：電池狀態估計，包括SOC估計方法概述，SOH估計方法概述，SOF估計方法概述，電池一致性和均衡方法概述，故障診斷概述幾個部分。

參考文獻

本文由公眾號「動力電池技術」翻譯整理自盧光蘭老師的論文《A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles》，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。