兩年BMS開發經驗總結：BMS如何做到管理電池

來自專欄 小貝的技術總結

我始終相信，同齡人是最好的老師。

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繼上次說到關於BMS系統的思考和總結，簡單回顧一下：

電池系統包括：結構、硬體、軟體。結構用來包裹電池本體，本體由電芯組成模組，模組組成電池包構成；電池包加上高低壓線束，加上接觸器，就構成了電池系統的大部分內容；加上BMS控制器（包括軟體和硬體）就形成了電池系統的全部，大體如下圖所示。

提供能量的本體（電池包）已經說過了，那麼電池包如何提供能量，如何合理的提供能量才能不趴車，不損壞電池呢？這就是BMS控制器的工作：電池管理。

首先明確電池管理的功能範疇，也就是主要功能：

（1）實時監測電池狀態。

通過檢測電池的外特性參數（如電壓、電流、溫度等），採用適當的演算法，實現電池內部狀態（如容量和SOC等）的估算和監控，這是電池管理系統有效運行的基礎和關鍵；

（2）在正確獲取電池的狀態後進行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警等；

（3）建立通信匯流排，向顯示系統、整車控制器和充電機等實現數據交換。

簡單來講就是：採集電池信息，計算電池狀態參數，與外部控制器通訊。

實時監測電池狀態

作為BMS控制系統的重要輸入部分，實時監測電池的狀態參數尤為重要。

輸入參數包括：單體電芯的電壓、溫度、均衡狀態，模組跨接片處的溫度（BusBar溫度）。

輸出參數包括：電池容量（SOC）、電池壽命（SOH）等

電芯溫度、BusBar溫度的採集多使用溫度感測器（NTC），電壓的採集大多數使用模擬電路。

電芯個數如特斯拉有七千多節，比亞迪E6也有上百塊電芯，榮威ERX5接近兩百塊電芯。

因此不可能採集每一個電芯的溫度，成本太高，也未必有這個必要。因此針對一個模組，通過熱力學模擬，得到溫度的極點位置，對這些位置進行相應的採集，就可以獲得對所有電芯的溫度包絡了。

剛剛提到，電芯的溫度採集不需要精確到每一個電芯，但是電芯的電壓就不同了。

如上圖所示，電池包裡面理論上講，每一個電芯都應該試一致的（電壓平台、放電能力、容量、壽命等等）。但林子大了什麼鳥都有，世界上沒有兩片相同的樹葉，因此電芯之間存在差異性。

這麼多的電芯裡面，總有好的電芯、壞的電芯，如何區分好壞呢？只有通過電芯的電壓來判斷了，而電池包的性能也恰恰詮釋了什麼叫做木桶效應。

因此，需要對每一個電芯進行電壓的檢測，否則無法判斷電池包的整體性能。一旦造成單個電芯的損壞，整個電池包就廢了。因此，電芯電壓的溫度採集更為重要，目前多數採用AD採樣的方式來實現。

採集到了電芯的電壓和溫度，用來做什麼呢？需要對電池的狀態進行判斷，就是電池狀態的估計。

電池狀態主要包括電池荷電容量（State

一般來講，這兩個參數的計算涉及到一些演算法和邏輯的內容，這裡先不做展開，僅對概念進行說明。

SOC：

荷電狀態，也叫剩餘電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用後的剩餘容量與其完全充電狀態的容量的比值，常用百分數表示。其取值範圍為0~1，當SOC=0時表示電池放電完全，當SOC=1時表示電池完全充滿。

直白的講，SOC的物理意義就是電池當前的放電容量，就像水桶里的水，還有多少水。通常情況下，車輛會限制SOC的使用窗口，根據不同電芯的試驗情況，選擇5%~95%，即90%的使用窗口，或者2.5%~98.5%，即95%的使用窗口。但是如果SOC的估計精度在3%左右，那麼SOC窗口至少為3%到97%。因此SOC的估算精度直接影響電池的可用容量。

SOH：

蓄電池容量、健康度、性能狀態，即蓄電池滿充容量相對額定容量的百分比，新出廠電池為100%，完全報廢為0%。

和SOC一樣，車輛也會對SOH進行限制，新出廠的電池為100%沒問題，但完全報廢就看業界良心了。比亞迪宣稱終身質保，是不太靠譜的，因為車子的SOH到80%以後，電池的續航就會大打折扣了，比如SOH = 100%時候NEDC能跑300Km，SOH=80%，只能跑200Km了。用戶是很不爽的，所以保證8年電池衰減不能低於80%還是有依據的。

所以，SOC和SOH兩個參數做的好不好，直接決定了BMS做的好不好。

完成電芯電壓、溫度的採樣的部分，有的會單獨做成一個控制器：Cell Managment Unit，即CMU。也有集成到BMS系統中的一體式分布。採用CMU的叫做分散式BMS系統，集成到BMS中的成為集中式系統。後面再說哈。

電池管理

顧名思義，這個一定是BMS的核心部分（因為BMS就是電池管理系統啊，電池管理肯定是電池管理系統的核心了）。

上面提到，電池管理主要包括：熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警等。

完成了電池參數的採集，並且正確估算電池的SOC和SOH是對電池進行管理的基礎。

熱管理，處理電池的溫度，並控制電池溫度在合適範圍內。為什麼？因為電池嬌貴啊，溫度低的時候放電少，溫度過高容易熱失控，高溫、低溫放電還會有危險。所以，通過合理的演算法和邏輯，控制電池溫度在電芯最適宜的範圍內，就能讓電池放電開心，活的久。

電池均衡管理，處理電芯的電壓，保持大家一個樣兒。為什麼？因為大家出生就不平等啊，在法制社會裡，人人平等是核心，不能造成「兩極分化」。有的電芯質量好，放電多，有的電芯質量差，放電快，那就讓好電芯也放的快一點兒。大家都平等了，也就擰成一股勁兒來充放電了，電池包就能活的更長時間。

充放電管理，和慢充、快充樁進行交互，設計充放電電流和充放電策略。電池不是被動原件嗎？對，電池是被動的，但電池自身的情況是可以主動彙報給外部控制器的，他們可以主動控制電池的充放電電流。為什麼要控制就不用講了，人吃飯不控制還能噎死呢，更何況沒有情感的電池！充電多了，也會炸。

故障報警，診斷電池管理情況，並進行相應的故障處理。這個好理解了，就像國家有政府，有紀檢委，有監察委一樣，不能獨斷專權。控制系統出毛病了，靠故障報警系統，及時發現問題，保護電池。

上面是BMS中必須具備的一些功能，還有一些比如儀錶顯示、續航里程計算、功率邊界計算等等會依據不同情況進行增減。

數據交互

剛剛提到了充放電控制，就需要和慢充器、慢充樁、快充樁等控制器進行交互，怎麼交互呢？通過通信協議進行數據交換。

電池是一個被動器件，需要實時的彙報自身的狀況來保護自己，當然迫不得已的時候，自我切斷繼電器即斷電。

和BMS進行交互的控制器不算很多，主要是整車控制器、慢充控制器、快充樁、DCDC、儀錶、網關、電機等。如果是分散式BMS系統，還需要和CMU進行交互。

目前，車輛上交互信息很多，大多數整車廠會選擇CAN通訊，即基於CAN 協議的一種通訊方式。優點多多，反正大家都用。

綜上，BMS控制系統的工作流就是：採集電芯的電壓、溫度等信號，傳遞給控制系統，對電池狀態（SOC、SOH）等進行估算，用於BMS的控制功能。控制功能主要包括了故障報警、熱管理、均衡管理、充放電管理等。

具體上面的每一個部分如何設計，且聽後面慢慢道來。因為，我也在逐步的學習之中。

PS：上述內容全在個人領會，不涉及企業機密，我是守法好員工。

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