對BMS的幾個核心功能做下詳細說明

隨著新能源車輛發(fā)展至今，BMS系統(tǒng)也經(jīng)過了多個發(fā)展階段。

從判斷電池故障、荷電狀態(tài)和容量估算等簡單管理階段，進階為覆蓋電池方方面面狀態(tài)的全面管理階段。

本章節(jié)我們將了解BMS的功能清單，并對部分核心功能進行詳細說明，包括電池狀態(tài)評估及功率估算，電池充放電管理和均衡管理、絕緣電阻檢測，電池?zé)峁芾?，電池?zé)岜O(jiān)控，在線故障診斷和安全管理。

BMS功能清單

可以將BMS功能簡單分為三大部分。

BMS基礎(chǔ)功能

V/I/T采樣，保護功能（過壓、過流、過溫、絕緣電阻），繼電器驅(qū)動，狀態(tài)采樣，繼電器粘連檢測，CAN通信；

BMS核心功能

電芯均衡、SOP（功率）、SOE（能量）、SOC（荷電狀態(tài)），SOH（健康程度）；

BMS應(yīng)用相關(guān)

碰撞信號檢測、交/直流充電、充電器狀態(tài)檢測、熱狀態(tài)、加熱/冷卻需求、預(yù)充、喚醒/休眠、與VCU通信

不過從用戶角度來理解，可大致分為兩大功能“電池體檢”&“安全衛(wèi)士”。

01

?電池體檢

從時效性來說，對電池的體檢強調(diào)的是即時性，BMS必須精準(zhǔn)掌握電池狀態(tài)。

即時“體檢”，指的是電池數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)評估。

數(shù)據(jù)采集，可簡單理解為給電池做例行的“體檢”；在充放電過程中，實時采集電池組中每塊電池的端電壓、溫度、充放電電流及總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。

這種“體檢”是在線的、持續(xù)的、不間斷的。過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，可及時查詢對應(yīng)電池狀況，并挑選出有問題的電池，從而保持整組電池運行的可靠性和高效性。

“體檢”結(jié)束之后，會進入分析、診斷、計算的階段，之后生成“體檢報告”，這個過程可以理解為電池的狀態(tài)評估。

02

安全衛(wèi)士

安全衛(wèi)士只得是保護電池及人身安全。

電池過充、過放會帶來局部過熱，影響電池壽命不說，嚴(yán)重時會威脅到電池組的安全，進而引發(fā)人身安全隱患。這時，BMS的“充放電管理”模塊就開啟了保護職能，一方面與整車、充電機實現(xiàn)通訊，另一方面實時提供電池狀態(tài)，便于及時發(fā)出指令控制，有效防止高充、低放的發(fā)生。

在保護電池的模塊，均衡也是很重要的一環(huán)，是保護并提升電池壽命的必要手段。另外，電池的保護還包括過壓、欠壓、過溫、過流等的保護。簡單來說，當(dāng)實際參數(shù)高于或低于某約定值時，系統(tǒng)將自動做出判斷，并采取斷開、預(yù)充等方式保護電池安全。

在人身安全方面，BMS通過高壓控制的手段來保護。電池高壓可達300-500V，遠超人體安全電壓36V，風(fēng)險隱患極大，必須做好高壓控制，最常見的就是繼電器、高壓互鎖、絕緣防護。周全的高壓防護控制，可有效保護司機、乘客和維護人員的人身安全。

電池狀態(tài)評估

下面我們就來對BMS的幾個核心功能做下詳細說明。

如同手機通過檢測電池的電壓和電流來估算電池荷電狀態(tài)，為用戶顯示剩余電量，動力電池的BMS系統(tǒng)也是通過估算電量的SOC，來為整車控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸入，為駕駛員提供電量和續(xù)航里程數(shù)據(jù)作為車輛使用的參考信息。

SOC的全稱State of Charge，荷電狀態(tài)，也稱為剩余電量。滿充的電池，其SOC為100%，反之則為0%。

用戶可通過車上儀表顯示，看到這些數(shù)據(jù)，從而確認電池的工作、功能狀態(tài)。據(jù)此，在保護電池的基礎(chǔ)上，將潛力發(fā)揮最大化，大大提升駕乘體驗。

因此SOC等數(shù)據(jù)估算的準(zhǔn)確與否，就顯得特別重要。估算不準(zhǔn)帶來的后果，有可能是汽車拋錨、與預(yù)期的行駛里程數(shù)不符等。

舉個例子，滿電情況下續(xù)航里程為400公里的車輛在道路行駛。若估算準(zhǔn)確，當(dāng)SOC顯示為10%時，還可能行駛的里程是40公里；若估算不準(zhǔn)，SOC達到15%，則用戶以為的里程為60公里，事實上可能在行駛40公里之后，就已經(jīng)沒電了。很顯然，對于用戶來說，這樣的情況很糟糕。

SOC外，BMS還會估算電池的放電深度(DOD)、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)等：

SOC

State of Charge,電池剩余電量百分比；

SOE

State of Energy,電池剩余電量，對整車而言意味著剩余里程；

SOH

State of Health，電池健康度，電池當(dāng)前的容量與出廠容量的百分比；

SOF

State of Funtion,電池功能狀態(tài)，是BMS控制策略中的一個參數(shù)；

DOD

Depth of discharge,放電深度，指從電池取出電量占額定容量的百分比，相同容量的電池，放電深度越大，電池釋放能量就越多，電池壽命越短。

功率估算

車輛控制系統(tǒng)根據(jù)剛才這些數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的動力輸出形式，以及輸出功率。

比如：以混動車舉例，何時啟動純電模式，何時啟動發(fā)動機，何時關(guān)閉電機，這些控制邏輯都需要以電池的荷電狀態(tài)，最大放點電流、最大充電電流、最高充電電壓、最低充電電壓等數(shù)據(jù)作為輸入，而BMS則是這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的提供方。

其實，BMS的剩余容量估算是BMS的核心內(nèi)容也一直是業(yè)界難點。首先它是一個估算值，根據(jù)電池組電壓，電流，放電倍率，溫度等因素經(jīng)過算法計算得出的值，這就要求整個系統(tǒng)先要采集的足夠準(zhǔn)，足夠快才能保證最后的結(jié)果準(zhǔn)確。

可是這又受制于主控芯片的處理速度，AFE的精度，采集電流的方案選擇，溫度傳感器的精度。

還有從系統(tǒng)整體考量采樣頻率的大小諸多因素有關(guān)。選用高處理速度高精度的芯片勢必會增加成本，采樣頻率越快系統(tǒng)負荷也越大，所以目前技術(shù)條件下大家都是參考具體項目來權(quán)衡各方面因素。

簡單來說，就是根據(jù)V/I/T測量值，對內(nèi)阻，容量進行估算，得出SOC估計值，SOH估計值，綜合兩者得出SOP可用功率，并最終反應(yīng)到用戶那里，就是剩余可行駛里程數(shù)。

估算值精度

以上提及的估算值精度，按國標(biāo)定義，可匯總?cè)绫砀袼荆?/p>

電池過充/電池過放

在解釋BMS對電池充放電進行均衡管理前，需要了解電池過充、過放的概念。

電池過充，指的是用超過單體電池上限的充電電壓充電，或者在電池已經(jīng)充滿的情況下繼續(xù)充電。

電池過充，不僅會引起電池性能下降，有時還會引起過熱甚至是冒煙起火。

電池過放的概念則與過充相反。

在電池放電到低于下限電壓時，仍然被要求繼續(xù)放電，稱為過放。

出現(xiàn)電池過放時，電池內(nèi)部會發(fā)生異于常態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部活性物質(zhì)出現(xiàn)不可逆的變化，使電池容量下降，嚴(yán)重的情況，該單體電池將無法使用。

因此，BMS需要監(jiān)控各單體電池的電壓，控制其充電電流和放電電流，既不能超過上限電壓，又不能低于下限電壓。

SOC過充/過放上下限

電池均衡方式

不同車企對BMS的算法采取不同的設(shè)計理念，對于車輛過充和過放的范圍也是不一樣的，有些車型限定使用容量的60%，通常充電到80%，放電到20%。

低電量電池經(jīng)過長期存放后，會出現(xiàn)自放電現(xiàn)象。限定使用容量的做法，本質(zhì)上是為了保留部分電量，降低由于電池自放電而引起的過放概率。

BMS對電池電壓壓差進行檢測，通過電池均衡，起到維護改善成組電池一致性，提高電池組性能的目的。

電池均衡的方式一般有兩種：

01

被動均衡

指的是先行消耗高能電池的多余能量，一般是通過電阻放電的方式，對高能電池進行放電，通常以熱量形式釋放電量，為其他低能電池爭取更多充電時間。

被動均衡的優(yōu)點是成本低、電路設(shè)計簡單。缺點是受限于荷電殘余量最少的電池，無法增加低能電池的容量，對釋放電量而產(chǎn)生的熱量而言，是一種浪費。

02

主動均衡

指的是將高能電池上的電量轉(zhuǎn)移到低能電池上，從而達到電池均衡的目的。

由于能量可以被轉(zhuǎn)移，電池均衡的效率比較高，能量損失小，充電時間短。缺點則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，帶有主動均衡功能的BMS普遍高于被動均衡功能的BMS。

審核編輯：劉清