新能源汽车高电压组件结构浅析（三）

无锡汽车工程高等职业技术学校 吴书龙

5 动力电池管理系统

电动汽车用动力电池组由多个单体电芯串并联组成，以满足电压和功率的需求。在实际使用中，当单体电芯发生过温、欠压、过放、过充和漏电等故障时，就会导致整个动力电池组的性能大大衰减，提前失效，甚至发生安全隐患。为了延长电池组的寿命和功率最大化，必须在严格规定的范围内使用单体电芯。这样就必须将电池本身和管理系统相连接，由管理系统对其进行监控和和管理，从而确保其安全性和动力性。

5.1 动力电池管理系统的组成

动力电池系统主要由电池模组、电池信息采集单元、热管理系统、温度和电压采样线、高压继电器盒、通讯系统和维修开关等组成，其整体布置图如图20所示。电池管理系统（BMS）是电池系统的控制单元，是电池系统的重要

组成部分之一。电池管理系统具有保证电池使用安全，控制电池能量合理使用，延长电池寿命，实现智能充电，存储、查询电池信息及与其他控制单元通讯的功能。

5.2 电池管理系统的结构

电池管理系统按结构主要分为分布式和集成式系统。

分布式电池管理系统（图21）数据采集是分散的，每个电池组都有一个从芯片，以监测其中每个单体电池或电池组的电压、温度、电流等信息，还可以进行电池均衡控制、采样线异常检测等。主芯片是电池管理系统核心部件，能够对动力电池组的总电压、总电流、每个测点的温度和电压等参数进行实时监控，并进行故障诊断、荷电状态（SOC）的计算、短路保护、漏电监测、报警显示、充放电模式选择等。CAN总线和采样线连接主芯片和从芯片，从而实现二者之间的通讯及信息交换。这种结构的优点是便于电池系统的扩展，采集的数据可以就近处理，精度高，能更好地计算电池的荷电状态；缺点是成本较高，灵活性差，数据的实时性不高。

集成式电池管理系统（图22）是采用了大量电池管理主芯片和从芯片的集成设计，可完成对当前电池的电压、电流、温度、SOC、充电、放电等各种状态进行监测。集成式电池管理系统可以降低成本，完全进行集成化处理。

图20 动力电池系统的整体布置

图21 分布式电池管理系统示意图

图22 集成式电池管理系统

5.3 电池管理系统的功能

电池管理系统具有对动力电池组参数进行实时监测、在线故障诊断、电池荷电状态的估算、电池安全控制与报警、短路保护、充放电模式选择、电池均衡和热管理等功能。电池管理系统可以将动力电池相关参数上报整车控制器（VCU），由VCU控制动力电池的充电和放电功率。

5.3.1 电池参数监测

电池状态监测功能是电池管理系统最基本的功能，是电池管理系统实现其他各项功能的前提和基础。

（1）电压监测。电压是反映电池状态的重要指标。单体电池都要具有电压采样线。电池管理系统通过从芯片采样电池组中的单体电池的电压和电池模组电压，然后通过总线传递给电池管理系统主芯片。主芯片根据控制需求处理单体电池的电压，还可以对电池的过充、过放、欠压和反极现象进行预警。电池电压采集工作示意图如图23所示。

图23 电池电压采集工作示意图

（2）电流监测。将霍尔传感器安装在高压线路中，当有电流通过时，霍尔传感器会通过自身的霍尔效应产生霍尔电压，此时电池管理系统利用主芯片采集到传感器发出的霍尔电压，再根据内部设置的计算公式，在策略层实现电流计算。目前选用的都是双通道霍尔传感器，基本支持在不同量程范围内电流采集的精度误差控制在2%以内。

（3）温度监测。每个电池模组至少应有一个温度传感器。将温度传感器安装在电池模组、关键高压线束连接等采集点处，当电池模组温度上升或下降时，传感器感受到温度上升或下降，其自身电阻发生正温度系数变化，主芯片通过子芯片采集到各温度点的传感器电阻后，根据内部温度电阻对应矩阵表实现温度的查表计算。

5.3.2 电池状态估计

电池状态估计包括对电池的荷电状态（SOC）、放电程度（DOD）、健康状态（SOH）、故障及安全状态（SOS）等进行分析计算。

5.3.3 在线故障诊断

在线故障诊断包括对电池管理系统和电池组自身故障进行自诊断，采用诊断算法诊断故障类型，并进行早期预警。

电池管理系统故障是指电池模组连接、互锁回路、电池管理器、电池信息采集器、热管理等各个子系统的故障，以及CAN通讯故障等。如高压继电器控制、上电控制、充电控制、风扇控制、空调和PTC加热器等控制电路控制。

电池组本身故障是指单体电池过压（过充）、欠压（过放）、过电流、超高（低）温、内部短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘漏电等故障。

5.3.4 电池安全控制与报警

电池安全控制与报警主要是指电池管理系统对电池温度、高压电安全盒等故障进行诊断，诊断到故障后，通过CAN总线上报VCU，并通过VCU切断高压电安全盒中高压继电器的电源，以防止高压安全故障（如漏电）对电池和人身造成伤害。

动力电池组至少需要3个高压继电器（预充、正极、负极）进行高压母线的电路控制，为最大化保护电池模组，也可以在正极母线上增加不同功能的高压继电器，如主高压继电器、交流充电高压继电器、分压高压继电器、直流充电高压继电器等。

5.3.5 充电控制

当充电插枪信号传递给电池管理系统后，电池管理系统将根据单体电池的电压、温度及充电枪反馈的充电功率等信号，控制车载充电机给电池进行安全充电。

5.3.6 均衡控制

在电池电量放电到10%或充电到100%，电池不一致性将导致电池组的总容量小于最小单体电池的容量。电池均衡是指电池管理系统根据单体电池信息，采用一定的控制方式，尽可能使电池组容量接近于最小单体电池的容量。电池均衡控制按均衡方式可分为主动均衡（active balance）和被动均衡（passive balance）。

（1）主动均衡。主动均衡指主动地将不均衡的电池能量（容量）在电池单体模块之间进行转移，通常是将能量（容量）强的转移到能量（容量）弱的，从而使电池趋于一致，也称为能量转移型均衡。一般在电量放到10%左右时确认一致性。

（2）被动均衡。被动均衡指被动地将不均衡的电池能量（容量）消耗掉，通常是将能量（容量）高的电池能量（容量）消耗掉一部分，使电池趋于一致，也称为消耗型均衡。一般在充满电停机时以最高电压电池单体为截止电压。

被动均衡结构更为简单，使用比较广泛，但是采用电阻耗能产生热量，从而会使整个系统的效率降低。主动均衡采用能量传递分配的原则，因而能量（容量）可得到更有效利用，均衡效率可达到80%～90%，但同时系统较为复杂，成本也更高。

5.3.7 热管理

热管理是指电池管理系统根据监控到的电池组内温度，对电池进行有效散热或加热，将电池组之间的温差控制在±2 ℃，以确保温度分布均匀，从而延长电池的使用寿命。

5.3.8 网络通讯

电池管理系统需要与VCU等网络节点通过CAN总线通信。更换动力电池组或电池管理系统后，需要进行在线容量和电量等的标定。

5.3.9 信息存储

电池管理系统用于存储电池的关键数据，如电池的SOC、SOH、DOD、累积充放电次数、故障代码和一致性等。

5.3.10 电磁兼容

主芯片和从芯片都要具有较好的抗电磁干扰能力，对外辐射小，确保通讯畅通，以防车辆失去监控，造成突然掉电等安全隐患。

电池管理系统不仅要保证电池安全可靠地使用，而且是与VCU及车主沟通的桥梁。对电池的过充、过放、欠压、过温、漏电、不一致性等进行故障监控，故障涉及范围广泛、复杂。因此，售后技术人员要能通过对故障码、数据流的分析进行故障排除，以确保电池管理系统一直处于最佳的工作状态。