基于BMS的电动汽车电池管理系统控制

詹大琳 黄丽莹 卢欣欣

关键词：BMS系统;电动汽车;电池管理系统;控制

BMS的全称是电池管理系统，属于电动汽车中的一个子系统，主要作用是监测和控制电动汽车运行状况，并对储能电池进行有效管理。管理范围包括电池温度检测、充电过程监管、电量估算等方面。

电动汽车中的电池组相对复杂，在监督控制方面存在一定难度，并且涉及到诸多关键技术，想要将影响电池组稳定运行的潜在隐患和干扰因素控制在源头，就要在了解电池管理重点、难点及关键技术基础上，充分发挥BMS系统控制作用，从而为电动汽车稳定运行提供动力保障。

1 BMS系统概述

电池技术、电机技术和电控技术是电动汽车的核心技术，统称为“三电”，其技术水平直接影响电动汽车的速度、续航里程等情况。只有当三种技术有效协调、相互配合，才能够为电动汽车安全运行提供保障。一旦其中某一技术存在短板，将会直接降低车辆性能。其中电机技术和电池技术对电动汽车性能带来的影响尤为显著。如：汽车动力与电机功率大小息息相关，动力电池的储存能力直接决定汽车续航里程。同为“三电”的电控技术为什么能够与电池技术和电机技术相提并论，成为研究人员需要深入探索和分析的主要课题。

具体来说，电控技术是电池管理系统中的最核心功能，也称为BMS系统，如果不具备该系统，将会大幅度降低动力电池充电、放电效率，同时缩短动力电池使用寿命。如果将电动汽车中的电池组比作一支军队，那么BMS系统就是带领军队前进的领导，其存在能够使电池组运行达到事半功倍的效果。

将BMS系统应用到电动汽车管理中，能够保证所有电池在可运行范围内有序工作，避免电池组出现温度过高、过充和过放等问题。电池中的单芯容量相对较低，想要确保电池具备较高的续航能力和运行水平，需要上百甚至上千电芯组成电池系统。为确保所有电芯在合适区间内工作，需要依赖于BMS系统进行控制和管理。

新时期背景下，我国汽车行业发展势头迅猛，促进各种类型电动汽车应运而生。但与此同时，电动汽车起火事故也随之增多，引起了广大消费者恐慌，并对电动汽车安全性产生质疑。当前，与HEV电池系统结构相比，目前电动汽车大多应用的BEV或PHEV电池系统结构更加复杂，同时也对电池运行的安全性和续航力提出较高要求，为了满足这一需求，需要优先选择使用BMS系统。所以，在我国电动汽车市场不断拓展的同时.BMS系统也迎来了广阔发展机遇。

2电动汽车中BMS系统的作用

BMS系统是电动汽车电池包中的重要组成部分，同时，电池包也是为电动汽车安全运行提供动力的核心能量源。其通过金属壳体进行包络，并构成完整的电池包。近年来，在科技迅速发展背景下，电池中的电芯组成结构也积极采用了模块化设计方式，并逐渐向集成化趋势发展，通过对电池包进行合理设计、仿真优化，全面提高了其控制管理性能。另外，BMS系统中的电气部件和线束能够对电池连接路径进行监督控制和安全保护，有利于提高电芯管理水平，实现电动汽车通讯目标，并满足信息交换需求。

在电动汽车运行中，BMS系统的主要功能是对电池状态进行监督和控制，其主要监控任务包括以下几个方面：a.尽可能规避电池包或电芯受各种因素影响被损坏;b.保证电池在合适温度和电压范围内有序工作;c.在保证电池运行稳定、安全基础上，为电动汽车运行提供保障。

3电动汽车中BMS系统的运行原理

无论电动汽车应用哪种锂离子电池，都需要通过串联、并联两种方式将单体电池组成电池组，使其形成动力电池，以此来为电动汽车运行提供动力支撑。在电池组实际运行中，只有确保所有单体电池稳定运行，才能够充分发挥电池组储能作用。例如：特斯拉电动汽车在生产制造中主要使用18650锂离子电池，其中“18650”代表单体电池的规格，其长度和直径分别为65mm和18mm。一辆每小时消耗85kW功率的的特斯拉电动汽车搭载的动力电池，至少需要7000节单体电池提供动力。

一辆电动汽车的动力电池由如此多的单体电池组成，其中每节单体电池都需要单独制造。加上电化学特征的影响，导致部分二次锂离子电池投入使用后储存性能存在一定差异。在动力电池充电过程中，需要从一个充电口为所有电池充电，如何能够在所有电池充满的情况下不损害电池性能，成为汽车制造行业需要深入研究和探索的重要课题，而采用BMS系统能够有效解决以上困惑。

结合BMS系统运行情况来看，一般需要通过控制模块和检测模块对电池组进行管理。其中检测模块工作内容较为简单，即通过传感器，对电池使用过程中的单体电池或电池组电流、电压、温度等信息和数据进行收集，从而为电池组管理提供准确依据。可以说没有这些准确可靠的数据信息作为支撑，那么电池系统管理也就如同纸上谈兵，没有实质意义。

结合传感器收集到的各种数据，能够使BMS系统根据不同单体电池的实际情况，对电池充电进行合理分配，在充电过程中如果某一单体电池电量充满，可以及时停止，避免持续充电对电池造成损害。同时，在BMS系统运行中，还能够采用状态估算方式，掌握所有电池单体的运行状态，通过SOH、SOC等管理方式有效提高电池利用率。虽然这一管理过程通过文字叙述来看较为简便，但足以突出BMS系统的精华和特点，这也是当前BMS厂家致力于攻克的技术难关。

现阶段，电动汽车的电池管理系统主要有两种模式，一种为主动式均衡管理模式，另一種为被动式均衡管理模式。两种管理模式具备各自的优势和缺陷，管理方式都是通过采集单体电池或电池组电流、电压、温度等数据信息，将其传送给预算模块.而后经过处理形成运行指令，并通过CAN通讯系统传送到电动汽车中央控制单元，以此完成控制管理工作。

当前，我国主流电动汽车使用的BMS系统大多具备被动均衡管理技术，同时兼具主动均衡技术储备。BMS厂家所提供的配置单中，主动均衡技术通常为“选配”功能。这是因为被动均衡技术本身具有装机量大的特点，在主流汽车市场占据地位较高，并且远远超出主动均衡技术。由于我国汽车行业起步较晚，所以目前生产的电动汽车依然以中低端产品为主，从配置和成本等角度进行分析，使用被动均衡技术更加划算。随着汽车产品性能、质量的不断提高，对BMS系统的要求也越来越高，这也意味着未来发展中主动均衡技术势必会成为主流。

随着汽车电气化水平的不断提高，BMS系统也会在HEV电池、低压启动电池、PHEV电池等电池系统中广泛使用。由于低高压系统之间存在较大差异，并且不同车场、不同应用平台的电池系统不尽相同，加上不同企业具备自己的风格和设计理念，所以在未来发展中高低压系统之间的相似性也会日益突出。

4 BMS系统的主要构型

4.1集中式BMS系统

集中式BMS管理系统是将所有采集电压、温度等参数的装置集中在一块BMS板中，使其对电动汽车的继电器控制盒进行直接控制。当前，绝大多数的HEV都是这种集中式结构。结合实践来看，集中式BMS结构具有成本低、集成化特点，并且将设备集中在一起，能够为通信提供便利。但与此同时也存在一定缺陷，就是单体采样线束较长，为采样工作增加难度，增加了导线设计复杂程度。

4.2分布式BMS系统

分布式BMS系统是将电池组不同功能分离开来，使整个系统形成不同控制器形式，即S-Box控制器、整车控制器、电池管理控制器、单体管理单元等形式。例如：日系的Outlander和Model S及德系的13、18等就是典型的分布式BMS系统。

5基于BMS的电动汽车电池管理系统设计方法

5.1BMS系统整体设计思路

电动汽车的电池管理系统主要由主控模块、显示模块、采集模块和均衡模块构成。在整体设计中，可以遵循以下思路：

a.采集模块。需要在电池箱中安装相应数量的单体电池和风扇控制装置，并设置温度测量点。

b.均衡模块。如果电池箱中的单体电池电压存在差异，并且超出标准值，同时充电电池低于规定值时，能够对其进行自动化均衡控制。

c.主控模块。该模块主要对下层面进行监督控制，即对电池组总电压和总电流进行监督、检测和控制。并使用CAN总线与其他模块相连接，实现快速通信、信息传递基本目标。

d.显示单元。选择合理尺寸的显示器，借助主芯片实施控制方案，确保能够通过显示器实时监督电池组运行状况，使其始终在稳定环境下安全运行。

5.2硬件设计方法

a.采集模块硬件设计。控制系统是BMS系统的核心部分，想要充分发挥其控制作用，就要合理选择硬件设施。

具体来说：在CPU选择过程中，可以选择CAN控制模块中的DSPIC30F等芯片，同时选择型号为MCP2551的CAN收发器，利用CAN总线，将控制系统连成一体，为快速通信提供保障。

另外，在电池电压取样过程中，可以择优选取12位精度的ADS7841，通过差分采样方式，尽可能规避各种干扰因素。差分采样方式能够使电动汽车的电池组和检测电路相互分离。为了保证温度测量数据准确无误，可以选择型号为DS18820型号的温度传感器，并对电箱中的温度测试点进行准确测量。

对于电动汽车而言，由于其运行过程中所处环境不尽相同，所以用电环境也存在复杂性特点，经常会受到电磁波干扰，容易影响在线监督检测效率和质量，导致BMS系统无法正常作业。对此，可以将高速光耦隔离器设置在CAN收发器和CPU芯片之间，如此能够增设瞬变二极管，使二者共模供电。

此外，单片机工作电源在运行过程中，需要与地线隔离开来，如此可以有效规避地线窜扰事故发生。

b.主控模块硬件设计。主控模块主要包括两部分：第一，与上文分析的采集模块相通，为了避免各种干扰因素，需要在硬件设计中采用各种防干扰措施，确保电池在各种环境下依然安全运行;第二，对电源总电流进行合理采样，并进行二档设计，确保将电流控制在合理范围内，测量精度应在0.5%范围内。

主要设计方式如下：选择DC24 V士30%供电电源，电压测量范围的精度为0-750 V，允许误差范围在0.5%以内;SOC估算精度控制在8%以内，运行温度控制在-25～70范围内。

c.显示模块硬件设计。显示模块的硬件设计需要从三个方面分析：第一，选择型号为SAM9263的芯片，该芯片属于汽车级别芯片，能够充分保证BMS系统的安全性和稳定性，同时全面落实ARM方案，对电源进行重新设计;第二，在上位PC之间连接CAN总线，通过光耦隔离器做好防干扰工作，同时分别设计主板与核心板;第三，显示器选择真彩触摸屏，并进分辨率高，且易于操作。

d.电池采集样路。该环节是BMS系统设计中的主要环节之一，可以通过差分输入方式设置电池电压，同时安装光耦继电器完成切换工作。电路设计相对于其他设计而言较为简单，并且能够提高测量精度。在温度取样过程中，可以选择总线方式进行设计，并尽可能少的使用传感器设备，以节约设计成本。

5.3软件设计方法

5.3.1主控模板设计方法

系统供电后，需要设计人员做好系统初始化设计工作，并结合实际情况设置各种参数，同时对外设进行初始化和科学设置。完成后进入主循环，在此过程中要准确检测电流，并对SOC进行科学计算，对总电压进和绝缘性能进行检测，对数据信息进行处理，判断是否存在故障情况，将相关数据储存。

5.3.2数据处理设计方法

对SOC进行估算，该工作能够直接决定数据处理结果是否准确。从整体方面进行分析，数据处理和SOC估算对整个BMS系统运行起到决定作用。

具体包括以下内容：充分了解温度、电压、电流、充放电功率的最大值和最小值，这需要设计人员通过准确计算得出具体数据。对于SOC估算而言，需要采用按时计量方式，运用电池的OCB和SOC相连形成的曲线，对SOC进行校正。

5.3.3从控模板设计方法

系统上电完毕后，需要对系统进行初始化，并对其中的重要参数进行赋值。对于各种外设，在将其设置在合理位置的基础上，也要做好初始化工作。完毕后在主循环单元完成以下操作，首先对电压进行检测，而后进行均衡控制，接下来檢测温度，并完成热管理工作。

6结语

当前我国涉及到BMS的企业越来越多，在一定程度上增加了市场竞争的压力。结合企业发展情况来看，呈现出两级分化严重的问题，并且大部分企业同质化现象严重。对此，需要企业加大创新力度，进一步创新BMS系统，使其在电动汽车中发挥更大作用。