淺析電動汽車BMS的功能實現(xiàn)

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：吳偉斌

工業(yè)革命以來，汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的燃油車在排放方面也給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的影響。2021年交通運輸碳排放占全社會碳排放10.4%。綠色發(fā)展已成為全球共識，截至目前共有197個國家簽署了《格拉斯哥氣候協(xié)議》、138個國家做出了凈零排放承諾?！澳茉?a target="_blank">電氣化，電氣綠色化”也是邁向碳中和的重要戰(zhàn)略，因此發(fā)展新能源汽車不僅是我國從汽車大國邁向汽車強國的必經(jīng)之路，也是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。

電池是電動汽車的動力來源，其容量及能量密度影響著汽車的續(xù)航，其品質(zhì)影響著汽車的安全性能。如何避免應(yīng)用中的電池過度充、放電，改善電池組中各單體電池的不對稱性，提高電池組的效率，延長其使用壽命都是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)問題。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）作為連接電動汽車電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要橋梁，通過與動力電池緊密結(jié)合的傳感器，對電池的電壓、電流、溫度等進行實時檢測，實現(xiàn)對汽車電動系統(tǒng)的全面管理。

總之，作為電池系統(tǒng)的核心，BMS在電動汽車中扮演著重要的角色。對BMS關(guān)鍵技術(shù)的探究具有重要意義。

一、BMS的功能模塊

圖1 BMS功能一覽

BMS是動力電池的中樞，負責(zé)管理、維護、監(jiān)控電池各個模塊，肩負著安全保護、提高能量利用率、延長電池使用壽命、幫助電池正常運行的重任。

BMS主要的功能包括：電池物理參數(shù)實時監(jiān)測、電池狀態(tài)估計、在線診斷與預(yù)警、充放電與均衡管理、熱管理及安全保護等等。

二、功能核心技術(shù)實現(xiàn)

1、電池狀態(tài)監(jiān)測

BMS要實現(xiàn)諸多功能，首先得實現(xiàn)對電壓、電流、溫度等電池物理數(shù)據(jù)的采集。

1.1、電壓監(jiān)測

電動汽車電池由幾千節(jié)單體電池經(jīng)過并聯(lián)、串聯(lián)組成，以滿足汽車對電壓及容量的要求。因此每只電池的狀態(tài)變化都會影響電池組的性能。電壓是反應(yīng)電池運行狀態(tài)的重要參數(shù)，因此必須對電壓進行實時監(jiān)測。

GB/T 38661-2020（電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件）對電壓檢測精度有明確的要求，如圖2所示：

圖2 GB/T 38661-2020對電壓監(jiān)測的要求

BMS主要利用專用的電池電壓監(jiān)測芯片對多單體電池的電壓進行采集測量，也就是AFE芯片（Analog Front End）。目前市場占比較大的廠商有：ADI、ST、TI、NXP等。

以ADI的LTC6811為例，圖3是推薦采樣電路圖：

圖3 LTC6811推薦采樣電路

其中電池單體通過串聯(lián)的方式依次疊加，采樣芯片與電池連接如圖所示，并且由100Ω的串阻及10nF的電容組成RC電路進行濾波，實現(xiàn)對電壓的采集。

由于芯片處理的是數(shù)字信號，而采集到的信號是模擬信號。所以LTC會通過ADC（Analog To Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號進行計算、儲存及顯示。

1.2、溫度監(jiān)測

溫度對電池性能的影響是最大的，反映在電池容量、電壓和使用壽命上：溫度降低，電池內(nèi)阻加大，電池化學(xué)反應(yīng)速度放慢，導(dǎo)致電池功率和能量輸出下降；溫度升高，則會加劇電池內(nèi)部的反應(yīng)速度，但是較高的溫度會破壞電池內(nèi)部的化學(xué)平衡，影響電池的使用壽命。

一般來說，鋰離子電池適宜的工作溫度為15°C~35°C，而電動汽車的實際工作溫度為-30°~50°C。因此需要根據(jù)電池的溫度進行散熱或者供暖，也就是汽車的熱管理。所以精確采集電池溫度是及其重要的。

GB/T 38661-2020中對溫度監(jiān)測精度的要求如下：

圖4 GB/T 38661-2020對溫度監(jiān)測的要求

對電池的溫度采樣電路，基本都是通過ECU測量外置的NTC電阻阻值，然后根據(jù)R-T曲線轉(zhuǎn)換成電池的溫度值。

NTC溫度傳感器主要以Mn、Cu等金屬元氧化物為材料，經(jīng)過陶瓷和半導(dǎo)體計算結(jié)合制成，其工作原理是：溫度較低時，復(fù)合材料載流子數(shù)目少，電阻值較高，當溫度升高時，載流子的數(shù)目相應(yīng)增加，電阻對應(yīng)降低，其R-T曲線如圖5所示。

圖5不同溫度系數(shù)的熱敏電阻R-T曲線

由圖5可以看出R-T曲線并直線對應(yīng)關(guān)系，在低溫中阻值變化較大，高溫變化較小，測量時會有較大的誤差，所以需要在工作電路中加入三極管，使測量精度更高，工作電路如圖6所示：

圖6溫度采樣原理圖

在低溫時，傳感器電阻值大，線路中僅10kΩ接通，三極管截止。此時傳感器電阻值與10kΩ電阻阻值接近，因而測得數(shù)值更為準確；在高溫時，傳感器電阻值變小，屆時阻值遠小于10kΩ，ECU使三極管導(dǎo)通，電路通過1kΩ電阻與三極管串聯(lián)后和10kΩ電阻并聯(lián)，經(jīng)過傳感器搭鐵，此時阻值與1kΩ相近，這樣即使溫度升高也能保證測量的準確性。

1.3、電流監(jiān)測

汽車動力電池的充電、放電功率都是非常大的，在BMS工作時，總電流是需要特別關(guān)注的參數(shù)之一。當發(fā)生短路、過流故障時，電流的檢測就是保護電池的第一道屏障。電流的監(jiān)測相比電壓跟溫度不同。在數(shù)量上，整個動力電池系統(tǒng)中只有一個總電流的信息需要監(jiān)測；l在頻率上，電流采樣的頻率會非常高以滿足SOC（State Of Charge,電池荷電狀態(tài)）評估的要求。

GB/T 38661-2020中對電流精度監(jiān)測的要求如下：

圖7 GB/T 38661-2020對電流監(jiān)測的要求

目前應(yīng)用在BMS中的電流采集方案有兩種：一種是采用分流器，根據(jù)最基本的電壓電流關(guān)系來進行測量；另一種是基于電流傳感器的電流監(jiān)測，其中分為霍爾傳感器和磁通門傳感器。

1.3.1、分流器方案

分流器方案是在電池工作回路中串聯(lián)一個分流電阻，然后通過測量兩端的壓降再根據(jù)歐姆定律計算回路電流，其原理圖如下：

圖8分流器測電流原理圖

其中的分流電阻是一個阻值非常小的電阻，市面上主流為0.1mΩ、0.15mΩ，而電動汽車的工作電流一般為500A，測量的壓降往往在50mV以下，所以需搭配放大電路使用。

1.3.2、傳感器方案

傳感器方案分為霍爾傳感器和磁通門傳感器，均為間接式測量方案。下圖是霍爾電流傳感器的原理圖：

圖9霍爾電流傳感器原理圖

霍爾電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理進行工作的。當原邊線路通過電流時，電流會在磁芯上產(chǎn)生磁通量，在磁芯間隙中，霍爾元件的載流子受到洛侖茲力的影響，使運動的軌跡發(fā)生偏移，并在材料的兩端產(chǎn)生電荷累積，形成垂直于電流方向的電場。也就是說當有原邊電流通過時，霍爾元件會產(chǎn)生一個mV級的感應(yīng)電壓，再經(jīng)過運算放大器等電子電路，轉(zhuǎn)化成副邊電流，從而計算出原邊電流。

磁通門電流傳感器是利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量電流的一種方式，工作原理如下圖：

圖10磁通門電流傳感器原理圖

磁通門電流傳感器工作時，其中的芯片會發(fā)出一個固定的高頻率交流方波，使磁芯處在一個往復(fù)飽和的狀態(tài)；當被測電流為0時，則檢測線圈輸出的感應(yīng)電動勢只含有激勵波形的奇次諧波，波形正負上下對稱(如圖 10右上方波形)；當由被測電流不為0時，被測電流會在磁芯中產(chǎn)生一個磁場，這個磁場會與激勵信號的磁場疊加或抵消，疊加時使磁芯提前飽和，抵消時使磁芯延遲飽和，導(dǎo)致副邊感應(yīng)電流發(fā)生偏置（如圖10右下方波形），此振幅差與被測電流成比例關(guān)系，因此通過測量此振幅差來計算被測電流。

以上就是目前應(yīng)用較多的電流檢測方案，他們各有優(yōu)缺點：

分流器擁有精度高、溫漂小、價格低及輸出頻率高等優(yōu)點，但是不足的地方首先是會產(chǎn)生熱損耗。假設(shè)電流為500A，會產(chǎn)生約25W的發(fā)熱功率，這對PCBA來說是較大的發(fā)熱，需要良好的散熱設(shè)計。隨著電動汽車里程容量提升，汽車的電流上限會提高，其發(fā)熱損耗也會加大；其次是隔離問題，由于分流器是串聯(lián)進主電路的，因此需要增加隔離器件對低壓供電和CAN信號傳輸電路進行進行隔離保護，導(dǎo)致成本上升。

霍爾電流傳感器擁有價格低、響應(yīng)快、電路簡單等優(yōu)點，但是由于實際使用上輸入輸出曲線并非完全的線性關(guān)系，因此在精度方面會比另外兩種差。特別是在小電流測量時，誤差凸顯比較明顯。

磁通門電路傳感器上限電流可以做到很大，并且受溫度影響小、發(fā)熱小、精度高，可以為BMS提供電流保護及SOC計算支持，也是目前市場上最受歡迎的方式。缺點是會受外部磁場的干擾，因此需要在設(shè)計時需考慮磁干擾。

各個方法的特點總結(jié)入下表：

2、電池狀態(tài)分析

SOC（State Of Chanrge，電池荷電狀態(tài)）和SOH（State Of Health，電池健康狀態(tài)）是電池系統(tǒng)中的2個重要參數(shù)，為電池安全保護、充放電控制、熱管理等功能提供參考，因此精確及時的獲取SOC/SOH信息對于提高電池壽命和保障電池安全至關(guān)重要。然而，作為電池內(nèi)部參數(shù)，SOC特別是SOH無法被直接且準確的測量，只能通過處理電池的電氣特性，對SOC/SOH進行估計。

2.1、SOC的估計

SOC是反映電池當前可用容量占最大可用容量百分比的一個參數(shù)，計算公式為：

SOC就是我們常說的剩余電量，它的估算方法一般有直接法跟間接法，具體如下圖所示：

圖12電池SOC估算方法

2.1.1安時積分法

安時積分法是通過計算電池在充放電時測量電流對時間的積分來估計SOC的，計算公式如下：

式中：t0為初始時刻；tk=t0+k*Dt,Dt為采樣間隔；S0ck和S0c0分別為tk和t0時刻的SOC值；h為庫倫效率；Ik-1為k-1時刻的電流。

舉個例子， 1組容量為100Ah的電池能夠以100A電流放電1個小時。假如以50A電流放電1個小時，則SOC就為50%，那再以50A電流放電半個小時，則SOC就為25%。也就是通過能量守恒計算SOC，所以電流的采樣精度越高、采樣時間越快，那SOC的估算就越準確。

但是從計算公式中不難看出，其中誤差點也很明顯：

1、SOC初始值，由于電池的啟停是隨機的，其起始和終止的狀態(tài)無法確定，并且隨著電池老化或者環(huán)境變化，會導(dǎo)致電池最大可用容量發(fā)生變化，因此很難獲得準確的SOC初始值；

2、由于電流在運行中不是恒定的，采集過程中的誤差會由于積分計算不斷累積，導(dǎo)致SOC的誤差逐漸增大，因此需做類似滿充的矯正措施；

2.1.2、開路電壓法

開路電壓法是一種查表法，根據(jù)測量到的電壓，在SOC-OCV關(guān)系表中找到對應(yīng)的SOC，部分SOC-OCV關(guān)系表如下圖：

圖13 SOC-OCV關(guān)系表

該方法在實際應(yīng)用中主要會受到以下限制：
1、不同電池的SOC-OCV關(guān)系是不同的，需找到對應(yīng)的關(guān)系圖才能找出對應(yīng)SOC；

2、此方法需要在電池處于平衡狀態(tài)時精度才高，要達到令人滿意的平衡狀態(tài)，電池需進行長時間的靜置；

3、有些類型的SOC-OCV關(guān)系在中部曲線非常平緩，導(dǎo)致很小的OCV誤差也能導(dǎo)致很大的SOC誤差。

4、電池老化及工作環(huán)境也會對SOC-OCV曲線有影響。

目前SOC主流的估計方法是安時積分法跟開路電壓法聯(lián)合使用，再結(jié)合濾波、模型、溫度等矯正方式進行測算。

2.1.3、基于模型的方法

基于模型的方法首先建立電池數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入信號計算模型輸出值，然后與實際值進行比較，不停的更新模型狀態(tài)跟系統(tǒng)狀態(tài)，給出SOC估計結(jié)果。不同的電池、不同的電路需要建立的模型不一樣，導(dǎo)致此方法計算量較大。此方法目前也是主要的發(fā)展方向。

2.1.4、機器學(xué)習(xí)方法

機器學(xué)習(xí)的方法是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法擬合測量信號（電壓、電流、表面溫度等）與SOC的關(guān)系，根據(jù)測量信號直接對電池SOC進行估算。

此方法需要大量的數(shù)據(jù)及計算，對硬件算力要求較高。出于成本的考慮，目前該方法的應(yīng)用面較窄。

2.2、SOH的估算方法

SOH是用來評估電池老化或衰退程度的一個重要指標，該參數(shù)以百分比的形式表示健康狀態(tài)，新電池的SOH為100%。其中電池容量和內(nèi)部阻抗是計算電池SOH的常用指標，一般電池SOH低于80%就應(yīng)該更換了。

3、電池能量控制

電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，在現(xiàn)代社會生活中的各個方面發(fā)揮有很大作用，其中核心是能量的存儲與轉(zhuǎn)化，也就是電池的充放電過程。

3.1、電池的充電原理

以單節(jié)鋰電池為例，電池的充電過程可以分為四個階段：恒流預(yù)充、大電流充電、恒壓充電以及充電終止。

恒流預(yù)充：用于電池完全放電后恢復(fù)性充電，避免大電流充電對電池壽命產(chǎn)生影響。

大電流充電：當電池電壓上升到恒流充電閾值時，即能提高充電電流，進入快速充電階段，電壓會隨著充電進行快速升高，直至電壓達到額定電壓。

恒壓充電：當電池電壓上升到額定電壓時，采取恒壓充電，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電時間慢慢減少。

充電終止：當電流強度減少到0.01C時，認為充電可以終止。

電池組的充電過程與其類似，區(qū)別是電動車電池組是由電池串聯(lián)及并聯(lián)組成的，需要采取均衡充電方法，在各單體電池上加上并聯(lián)均衡電路，起分流作用。當某個電池先充滿時，均衡裝置能阻止電池過充，將多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，并繼續(xù)對未充滿的電池充電。

3.2、電池均衡管理

電動車電池組是由多個電池組成的，由于生產(chǎn)過程或者使用損耗等問題，各電芯的電量多少都會存在差異，其影響會導(dǎo)致相對較快充滿的電池過充，由于保護電路的純在，未充滿的電池將會停止充電，造成容量丟失，而放電時為了避免電池過放，保護電路會在出現(xiàn)容量低于設(shè)置值的電池時切斷供電，也會造成容量丟失，也就是“木桶原理”，因此，為了保持電池的一致性，則需要對電池組做均衡管理。

其中均衡分為被動均衡跟主動均衡：

被動均衡一般采用電阻放電，使較高電量單體放電至較低電量的單體一致。這種方法電路簡單可靠，也是目前市場應(yīng)用較多的方法?？紤]到目前電動汽車的電池一致性越做越好，電池在長時間使用后的散差其實很小，因此被動均衡的性價比較高；

主動均衡則是利用電容、電感或者DC-DC實現(xiàn)均衡。其原理是將高電量單體的能量放到電容等儲能元件進行儲存，再控制儲能元件連接低電量單體進行充電。主動均衡具備電能利用率高、均衡速度快等優(yōu)點，但是存在均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高以及可靠性低等問題，目前有著較高的技術(shù)壁壘。

4、電池安全保護

電池保護是BMS的核心功能，保障電池在常態(tài)及工作狀態(tài)下都能安全運行，通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成。保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

4.1、過充過放保護

電池在充電前期為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到額定電壓，之后轉(zhuǎn)為恒壓充電，使充電電流逐漸降低，當電池的充電電路失去控制，會使電池壓超過額定電壓后繼續(xù)恒流充電，此時會導(dǎo)致電池電壓繼續(xù)上升，電池的化學(xué)副反應(yīng)將會加劇，造成電池損壞等安全問題；當電池加入過充保護功能時，實時電壓超過額定電壓時，IC首先會發(fā)出告警，提醒切斷電流，如上升到一定電壓，IC將會發(fā)出信號，強制斷開充電電路，并且控制電池對外進行放電。

放電保護原理也類似，當電池電壓降低至告警值，保護電路會發(fā)出信號提醒電量過低，當放電至限制電壓時，保護電路將發(fā)出信號使電路切斷，保證電池電壓不再降低，由于保護電路也是由電池進行供電的，因此保護電路需設(shè)計低功耗模式，供電池電量過低時使用。

4.2、過流保護

由于電池的化學(xué)特性，電池放電電流強度最大不能超過2C，當超過此電流值時將會導(dǎo)致電池永久性損壞或者出現(xiàn)安全問題。下圖是BMS電流采集原理圖。為了保證信號的精度，傳感器的輸出信號一般都為電壓信號，控制IC會對傳感器信號進行處理。當電路中的電流達到設(shè)置值時，IC會輸出一個開關(guān)信號，切斷輸出回路，起到保護電池的作用。

圖14磁通門電流傳感器在BMS保護的應(yīng)用

4.3、溫度保護

電池組熱管理是BMS的重要功能之一，其作用是使電池組能保持在合適的溫度下工作，充分發(fā)揮電池組最佳工作狀態(tài)。調(diào)整策略包括冷卻、加熱及溫度均衡等。冷卻和加熱是針對外部環(huán)境溫度對電池可能造成的影響來進行相應(yīng)的調(diào)整，溫度均衡則是減少電池組內(nèi)部的溫度差異，防止部分電池過熱造成壽命快速衰減。

汽車動力電池的冷卻模式主要分為風(fēng)冷、液冷和直冷三大類。風(fēng)冷是利用自然風(fēng)或者車內(nèi)制冷風(fēng)流經(jīng)電池表面達到換熱冷卻的效果；液冷是利用專用的冷卻液管路來加熱或者冷卻動力電池，目前這種方式是主流的方式，能同時起到冷卻跟加熱的作用；直冷系統(tǒng)則是使用制冷劑對動力電池進行冷卻。

5、電池信息管理

BMS對電池參數(shù)、告警，都需要傳輸給對應(yīng)的處理器，進行顯示或者儲存。使用在電動汽車上的傳輸方式主要為CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)），主要用于汽車上各種傳感器數(shù)據(jù)的傳遞。

Magtron采用磁通門原理打造高性價比、高精度、低零飄、高采集頻率的電流傳感器CSM系列，可用于電動汽車BMS系統(tǒng)。由公司自主研發(fā)的SoC芯片也可以為客戶提供專有的技術(shù)解決方案，滿足各項車規(guī)標準，基于市場實時的最新需求，不斷升級完善，致力于解決工業(yè)、電動汽車、儲能行業(yè)等各項電流、漏電流采集問題，為各行業(yè)電力設(shè)備保駕護航。

參考文獻：

[1].李沂洹.《鋰離子電池荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)估計方法》

[2].朱永康.《BMS中傳感器的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展趨勢》

[3].倪紅軍.《電池管理系統(tǒng)電壓采樣電路的設(shè)計與研究》

[4].GB/T 38661-2020.《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》

[5].GB/T27930.《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議》

[6].李林琳.《鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計》

[7].董艷艷.《純電動汽車動力電池及管理系統(tǒng)設(shè)計》

審核編輯 黃宇