電池管理系統(tǒng)概念
電池管理系統(tǒng)，BMS（BatteryManagementSystem），是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成。它一方面檢測(cè)收集并初步計(jì)算電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)檢測(cè)值與允許值的比較關(guān)系控制供電回路的通斷；另一方面，將采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上報(bào)給整車控制器，并接收控制器的指令，與車輛上的其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。電池管理系統(tǒng)，不同電芯類型，對(duì)管理系統(tǒng)的要求往往并不一樣。
電池管理系統(tǒng)功能
一般而言電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：
1、準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)：
準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)（StateofCharge，即SOC），即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。
2、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)：
在電池充放電過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車蓄（應(yīng)該為動(dòng)力電池組）電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電現(xiàn)象。同時(shí)能夠及時(shí)給出電池狀況，挑選出有問(wèn)題的電池，保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性，使剩余電量估計(jì)模型的實(shí)現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進(jìn)一步優(yōu)化和開發(fā)新型電、充電器、電動(dòng)機(jī)等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。
3、單體電池間、電池組間的均衡：
即在單體電池、電池組間進(jìn)行均衡，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。電池均衡一般分為主動(dòng)均衡、被動(dòng)均衡。目前已投入市場(chǎng)的BMS，大多采用的是被動(dòng)均衡。均衡技術(shù)是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
電池管理系統(tǒng)原理
電池管理系統(tǒng)（BMS），即BatteryManagementSystem，通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力電池組中各單體電池的狀態(tài)來(lái)確定整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
典型電池管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來(lái)說(shuō)，由中央處理單元（主控模塊）、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、顯示單元模塊、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等構(gòu)成。一般通過(guò)采用內(nèi)部CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊之間的數(shù)據(jù)信息通訊。
基于各個(gè)模塊的功能，BMS能實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測(cè)等，并且能夠計(jì)算動(dòng)力電池剩余容量、充放電功率以及SOC&SOH狀態(tài)。
電池管理系統(tǒng)的主要組成
（1）電池終端模塊（主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如：電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度、通信信號(hào)等）；
?。?）中間控制模塊（主要與整車系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制充電機(jī)等）；
?。?）顯示模塊（主要進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互）。
為滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，BMS的這些組成模塊要完成的如下工作：
?。?）電池參數(shù)檢測(cè)。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(cè)（防止出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放甚至反極現(xiàn)象）、溫度檢測(cè)（最好每串電池、關(guān)鍵電纜接頭等均有溫度傳感器）、煙霧探測(cè)（監(jiān)測(cè)電解液泄漏）、絕緣檢測(cè)（監(jiān)測(cè)漏電）、碰撞檢測(cè)等；
?。?）電池狀態(tài)估計(jì)。包括荷電狀態(tài)（SOC）或放電深度（DOD）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、能量狀態(tài)（SOE）、故障及安全狀態(tài)（SOS）等；
?。?）在線故障診斷。包括故障檢測(cè)、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測(cè)是指通過(guò)采集到的傳感器信號(hào)，采用診斷算法診斷故障類型，并進(jìn)行早期預(yù)警。
電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障（如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等），以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過(guò)壓（過(guò)充）、欠壓（過(guò)放）、過(guò)電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等；
?。?）電池安全控制與報(bào)警。包括熱系統(tǒng)控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器，并要求整車控制器進(jìn)行有效處理（超過(guò)一定閾值時(shí)BMS也可以切斷主回路電源），以防止高溫、低溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、漏電等對(duì)電池和人身的損害；
?。?）充電控制。BMS中具有一個(gè)充電管理模塊，它能夠根據(jù)電池的特性、溫度高低以及充電機(jī)的功率等級(jí)，控制充電機(jī)給電池進(jìn)行安全充電；
?。?）電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據(jù)單體電池信息，采用主動(dòng)或被動(dòng)、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量；
?。?）熱管理。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動(dòng)加熱/散熱的強(qiáng)度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能；
?。?）網(wǎng)絡(luò)通訊。BMS需要與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信；同時(shí)，BMS在車輛上拆卸不方便，需要在不拆殼的情況下進(jìn)行在線標(biāo)定、監(jiān)控、升級(jí)維護(hù)等，一般的車載網(wǎng)絡(luò)均采用CAN；
?。?）信息存儲(chǔ)。用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數(shù)、故障碼和一致性等；
?。?0）電磁兼容。由于使用環(huán)境惡劣，要求BMS具有好的抗電磁干擾能力，同時(shí)要求BMS對(duì)外輻射小。
圖2電池管理系統(tǒng)算法框架
怎樣構(gòu)成電池管理系統(tǒng)
為一個(gè)新的和基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)視器電路，那么你會(huì)采取什么策略來(lái)優(yōu)化該設(shè)計(jì)的成本和可制造性呢？最初考慮的問(wèn)題將是確定系統(tǒng)的首選結(jié)構(gòu)以及電池和有關(guān)電子組件的位置?；窘Y(jié)構(gòu)清楚以后，接下來(lái)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題是，電路拓?fù)涞臋?quán)衡協(xié)調(diào)問(wèn)題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。
電池的外形尺寸將對(duì)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復(fù)雜的電池模塊（或電池組）嗎？或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問(wèn)題而導(dǎo)致對(duì)電池?cái)?shù)量的限制或引起其他的尺寸限制？這也許是設(shè)計(jì)變數(shù)最大的部分，因?yàn)橥庑涡路f的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會(huì)與整個(gè)產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車設(shè)計(jì)情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。
另一個(gè)考慮因素是，電池（或模塊化電池組）、電池管理系統(tǒng)（或其子系統(tǒng)）以及最終應(yīng)用接口之間的測(cè)試信號(hào)和/或遙測(cè)信號(hào)的互連。在大多數(shù)情況下，可以做一個(gè)外殼，用來(lái)集成電池模塊或電池組中的某些數(shù)據(jù)采集電路，以便如果需要調(diào)換，那么生產(chǎn)ID、校準(zhǔn)、使用規(guī)格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對(duì)電池管理系統(tǒng)（BMS）或維修設(shè)備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導(dǎo)線的數(shù)量。
圖1：不同的電池監(jiān)視拓?fù)?/strong>
接下來(lái)，就給定的機(jī)械概念設(shè)計(jì)而言，監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的、所需支持的電池?cái)?shù)量決定。在汽車應(yīng)用中，一般情況下總共會(huì)有100個(gè)以上的電池測(cè)量點(diǎn)，而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個(gè)給定的電路系統(tǒng)測(cè)量多少個(gè)電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個(gè)子組。
通過(guò)在故障情況下保持電壓低于200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險(xiǎn)。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每套也許支持50個(gè)電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖1（a）所示?；蛘?，電子組件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測(cè)鏈接方法。為了實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)置于汽車線束中的遠(yuǎn)端測(cè)量功能電路必須采用一種堅(jiān)固型協(xié)議，例如廣泛使用的CAN總線。
盡管真正的CAN總線接口涉及幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，但是可以很方便地采用PHY層構(gòu)成BMSLAN結(jié)構(gòu)，以高效率地進(jìn)行模塊內(nèi)的通信。這類分布式結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。該拓?fù)湓试S在幾個(gè)小型處理器之間分配計(jì)算工作量，從而降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減輕LAN方法可能引起的EMI問(wèn)題。最終的BMS應(yīng)用接口很可能是至一個(gè)主系統(tǒng)管理處理器的CAN總線接線，而且將需要定義（或在一開始規(guī)定）特定的信息事務(wù)處理。
其他因素也可能對(duì)物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導(dǎo)致了額外的熱量管理問(wèn)題（去除熱量），而且如果需要有源平衡，還需要電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探頭常常分布在整個(gè)模塊之上，以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)常常忽視的考慮因素是，當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲(chǔ)存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應(yīng)該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。
在上面實(shí)現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中，都有一個(gè)常見的測(cè)量功能構(gòu)件，該構(gòu)件包括一個(gè)多通道ADC、安全隔離勢(shì)壘和某種程度的本地處理能力。圖2電路顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)平臺(tái)。在這個(gè)圖中，實(shí)現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的LTC6803電池組監(jiān)視器IC，同時(shí)顯示的還有一個(gè)SPI數(shù)據(jù)隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無(wú)源平衡功能，構(gòu)成了一個(gè)完整的12節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)采集解決方案。如果需要，這類電路可以簡(jiǎn)單地復(fù)制，以支持更多電池測(cè)量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地SPI端口，該主微控制器反過(guò)來(lái)再提供外部CAN總線或其他LAN型數(shù)據(jù)鏈路所需。
與前一代監(jiān)視器件相比，LTC6803的主要改進(jìn)是，支持電源停機(jī)和/或單獨(dú)由電池組供電。當(dāng)電源從V+引腳去掉時(shí)，電池加載將降至零（僅有nA級(jí)半導(dǎo)體泄漏）。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個(gè)單獨(dú)的電源提供給V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性，LTC6803還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態(tài)（即備用）將僅消耗12uA電流。LTM2883數(shù)據(jù)隔離器通過(guò)一個(gè)內(nèi)部隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，從主處理器供電，因此該器件將自動(dòng)與主處理器一起斷電。LTM2883的一個(gè)非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件（即電池端）提供很大和得自主機(jī)的功率。一個(gè)小型升壓電源功能組件（圖2中的LT3495-1）就是這樣驅(qū)動(dòng)的，以獨(dú)立地給LTC6803供電，以便電池僅提供ADC測(cè)量輸入電流（即在有效轉(zhuǎn)換時(shí)平均值《200nA）。該電路具有絕對(duì)最低的寄生電池泄漏，同時(shí)消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導(dǎo)致電池容量失衡。
LTC6803的一個(gè)方便的功能是，有兩個(gè)自由的、準(zhǔn)確度與電池輸入類似的ADC輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進(jìn)行輔助測(cè)量，包括溫度、校準(zhǔn)信號(hào)或負(fù)載電流測(cè)量。一種尤其有用的測(cè)量是，用一個(gè)門控電阻分壓器測(cè)量整個(gè)電池組的電壓，實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示（采用12：1的比例，連接到VTEMP1輸入）。當(dāng)電路斷電時(shí)，相關(guān)的FET斷開，這樣對(duì)電流的測(cè)量就不會(huì)不必要地加重電池的負(fù)擔(dān)。既然該端口的濾波可以獨(dú)立于電池輸入來(lái)定制，那么為了實(shí)現(xiàn)精確的充電電流計(jì)算所需的、真正高達(dá)200sps的奈奎斯特（Nyquist）采樣率是可能的?？梢岳脤?duì)單個(gè)電池測(cè)量來(lái)周期性地對(duì)整個(gè)電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn)，這樣就不需要價(jià)格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個(gè)非常有用的用法是，測(cè)量準(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源（諸如凌力爾特的LT6655-3.3，一個(gè)準(zhǔn)確度為0.025%的基準(zhǔn)），在這種用法中，允許軟件憑借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請(qǐng)注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準(zhǔn)，這些探頭一般也不需要12位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接，從而留出高性能LTC6803的輔助輸入，以實(shí)現(xiàn)要求更加苛刻的功能。
圖2：完整的12節(jié)電池隔離型BMS測(cè)量功能
總之，在電池管理系統(tǒng)電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當(dāng)封裝設(shè)計(jì)思想?yún)R聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機(jī)械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu)（例如：連接器化和導(dǎo)線數(shù)目）同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過(guò)這些因素而且封裝設(shè)計(jì)思想成熟之后，只需直接插入一款采用LTC6803平臺(tái)，一個(gè)聲名卓著、可擴(kuò)展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了。