电动汽车电池管理系统技术解析

南京交通技师学院 宋云

动力电池是电动汽车关键技术之一，必须配备电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，缩写BMS）。以前的干电池、燃油车上的起动电池，都没有BMS的这个说法，为什么到动力电池用到汽车上，必须要配备BMS呢？笔者近期接触到了一款某公司研发的BMS产品及相关资料，现结合该款产品进行解析，供读者参考。

1 电动汽车配备BMS的必要性

BMS是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。从硬件上说，动力电池系统结构的最小单元是电池单体，基本单位是模组，模组再组装成电池箱，电池箱连接起来为电池系统。从构成结构上说，电池对外是一个完整的产品，但是内部结构连接起来，工艺十分复杂，除了电池单体、模组、电池箱等硬件本身的连接外，还有电池恒温系统、安全防火系统等。这些子系统与动力电池之间也要交换信息，必须有机协调起来。如何能协调好呢？自然就提出了管理要求，这里管理是指计算机管理系统，于是就产生了BMS。

2 BMS的基本功能及构成解析

2.1 BMS的基本功能

BMS用于监测并指示电池/电容状况（电压、温度、电流、剩余能量），在异常情况下向用户发出报警信号（声光），严重时根据制定的控制策略切断电力传送链路，以保护电池从而延长电池使用寿命。另外，BMS还有能量均衡作用，使得系统中电池剩余能量趋于一致，延长系统的整体放电时间。BMS的功能如图1所示。此款BMS不仅能管理磷酸铁锂电池，还可以管理锰酸锂、钴酸锂、铅酸等类型的电池，也可以管理超级电容。

2.2 BMS的构成

BMS由终端模块、中央处理模块和显示模块3大部分组成。终端模块（图2）负责测量电池电压及温度、均衡电池能量、控制电池箱风扇，如果用于换电式新能源汽车系统，终端模块还支持对本箱电池的电流采样和SOC（SOC的全称是State of Charge，中文含义是荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满）计算；中控模块负责SOC计算、产生各类报警数据、控制充放电电路、测量高压线路绝缘性能；显示模块负责显示电池的数据、给出声光报警、记录数据（可选）。当系统电池总数少于42个时，中控模块可以和终端模块合并组成集成BMS系统以节省成本。

3 电池均衡功能解析

近年来，越来越多的电动汽车采用锂离子电池做为主要电源，这主要是由于锂离子电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、自放电率低等优点；但同时锂离子电池对充放电要求很高，当过充、过放、过电流及短路等情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸，因此，锂离子电池都加有过充放电保护电路。另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。电池均衡的意义就是使锂离子电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的发生。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，会使电池的使用寿命大大缩减。电池均衡一般分为主动均衡和被动均衡2种。所谓主动均衡，就是电池在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生的电压差异进行主动均衡的一种方法，其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中，都可利用在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗，以及电池的电化学特性中极化内阻的变化，并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题，只有加以合理地应用，才可能在总体上达到一个比较好的效果。

该公司研发的BMS在不增加成本又性能可靠的基础上，研发出了一种主被动式一体电池均衡功能，均衡电流为50 mA。充电时BMS切换成耗能式均衡模式，即将容量比较足的电池进行放电，放电时BMS切换成补电式均衡模式，即将容量比较低的电池进行充电，从而延长了电池组使用寿命。

4 充电控制解析

长期闲置的锂离子电池，初始充电时，不要一下子将充电电流加到额定充电电流，最好有个逐步递升的过程，因此该公司研发的BMS都有一个充电前导时间。在设定的前导时间内，将充电电流线性提升到额定电流。另外，当最高单体电压达到报警门槛时，充电电流不能太大，否则电池电压很容易越过门槛，所以充电电流跟最高单体电压有个对应关系。最后，在低温时充电会严重影响电池的性能，因此充电电流还需要有一个由温度控制的关系。该公司研发的BMS充电就设置了三重控制——前导时间控制、温度控制和电压控制，最后的充电电流取三者中的最小者。