新能源汽车 BMS：跨越电池瓶颈，推动电动汽车发展的关键技术
发表时间：2024-07-13 09:02:55
文章来源：炫佑科技
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新能源汽车 BMS：跨越电池瓶颈，推动电动汽车发展的关键技术
动力电池需要从“电源管理”、“充放电”、“能量回收”等各个方面进行管理，由于BMS对于新能源汽车如此重要，今天我就来和大家聊一聊动力电池管理系统（BMS）的策略与开发方法。
长期以来，电动汽车一直没有发展起来的原因就是电池。电池的瓶颈太大，现有技术无法保证续驶里程。其实电动汽车发展*早，早于燃油汽车，但由于续航里程原因，电动汽车在一百多年前就夭折了。直到近些年，能量密度的提升，特别是BMS的出现，才使得纯电动汽车有了跨越式的发展。
1.什么是BMS
BMS是英文名称，中文名称是动力电池管理系统，是一套对电池进行监控和管理的系统，通过对电压、电流、温度、SOC等参数进行采集和计算，进而控制电池的充放电过程，以保护电池、提高电池的整体性能，是车载动力电池与电动汽车之间重要的纽带。
2.BMS的主要功能
1.参数检测
实时采集电池充放电状态，采集数据包括电池总电压、电池总电流、各电池组温度、单模块电池电压。
2. 剩余电量（SOC）估算
电池的剩余能量相当于传统汽车里的燃油量，为了让驾驶者及时了解SOC，系统要实时采集充放电电流、电压等参数，通过相应的算法估算SOC。
3. 充放电控制
根据电池的荷电状态来控制电池的充电和放电，如果某个参数超标，比如单块电池电压过高或者过低，系统就会切断继电器，停止电池的能量供给，以保证电池组的正常使用和性能。
4. 热管理
实时采集每个电池组的温度，并控制冷却风扇，防止电池温度过高。
5. 平衡控制
由于电池个体的差异以及使用条件的不同，在使用过程中电池的不一致性会越来越严重，系统应能进行判断并自动进行均衡。
6.故障诊断
通过采集电池参数，系统实现电池性能预测、故障诊断和预警等功能。
7.信息监控
蓄电池的主要信息在车载显示终端上实时显示。
8. 参数校准
由于不同车型使用的电池类型、数量、电池组大小及数量均不同，因此系统应具有车辆型号、车辆号、电池类型、电池模式等信息校准功能，BMS通过RS232接口与上位机校准软件通讯实现这一点。
9.CAN总线接口
根据车辆CAN通讯协议，与车辆其他系统共享信息。
3.BMS结构
在纯电动汽车中，动力电池通过组串、并联的方式，形成整车高压电源，为整车提供动力。
BMS主要结构如下图所示：
从整车角度看，BMS的设计采用分布式网络控制系统结构，其在车辆上的系统结构及布置如下图所示。系统中，每个电池组内设置一个电池测控模块，每个电池测控模块通过485总线与BMS中央控制器连接，组成整个系统。BMS中央控制器还通过RS232总线将监测信息发送给信息显示器，并通过CAN总线接口与车辆控制系统进行通讯。
4.BMS电气架构
对于分布式BMS来说，由1台主控制器、1台高压控制器、2台从属控制器及相关采样控制线束组成。控制器之间通过CAN总线实现信息交换，如下图所示。
1.主控制器
处理控制器、高压控制器上报的信息，根据上报的信息判断、控制动力电池的运行状态，执行BMS相关控制策略，并做出相应的故障诊断及处理。
2.高压控制器
它实时采集并上报动力电池总电压、电流信息，通过其硬件电路实现及时积分，为主板计算荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）提供精准数据，同时还可实现预充电检测、绝缘检测功能。
3. 从控制器
实时采集并上报动力电池单体电压、温度信息，反馈每串电池的SOH、SOC，同时具备被动均衡功能，有效保证动力使用过程中电池的一致性。
4. 采样控制线束
为动力电池各类信息采集、控制器间信息交互提供硬件支撑，同时在各电压采样线上增加冗余保险功能，有效避免线束或管理系统造成外部电池短路。
5.BMS控制方式
完善合理的BMS控制方法可以保证动力电池安全可靠的发挥其*佳性能，保证*长的使用寿命。主要的BMS控制方法有以下几种：
1.工作模式控制
BMS有以下5种工作模式
A. 关机模式
断电模式是整个系统低压部分和高压部分都不工作的模式，断电模式下BMS控制的所有高压接触器都处于断开状态；低压控制电源处于无电状态，断电模式属于省电模式。
B.待机模式
此模式下BMS不处理任何数据，能耗极小，可快速启动；准备模式下系统所有接触器均处于不吸合状态，此模式下系统可接收点火锁、整车控制器、电机控制器、充电插头开关等外部部件的硬线信号或受CAN报文控制的低压信号，驱动各高压接触器，使BMS进入所需的工作模式。
C. 放电方式
BMS在待机模式下检测到放电信号后，接收整车控制器（Unit，VCU）发来的动力电池运行状态指令和接触器动作指令，执行相关指令，完成BMS上电及预充电过程，进入放电模式。
当BMS检测到点火锁高压通电信号时，系统会首先闭合B接触器。由于电机是感性负载，为了防止过大的电流冲击，在B接触器闭合后，预充电接触器闭合，进入预充电状态；当预充电电容两端电压达到母线电压的95%时，B+接触器立即闭合，预充电接触器断开，进入放电模式。目前，汽车常用的低压电源是由12V铅酸蓄电池提供的，它不仅可以为低压控制系统供电，还可以为转向电机、雨刮电机、安全气囊及后视镜驱动电机提供电源。为了保证低压电池能持续为车辆控制系统供电，低压电池需要有充电电源，直流转换接触器的打开可以满足这一要求。 因此当电池系统处于放电状态时，B+接触器打开后直流转换接触器闭合，保证低压电源继续供电。
D.充电方式
BMS在待机模式下检测到充电信号后，接收VCU发送的动力电池运行状态指令和接触器动作指令，执行相关指令，完成BMS充电过程，进入充电模式，并与车载充电机进行通讯。当BMS检测到充电唤醒信号Wake Up时，系统进入充电模式，此模式下B接触器与车载充电接触器闭合，直流转换接触器处于工作状态，保证低压控制电源的持续供电。充电模式下系统不响应点火锁发出的任何指令，充电插头发出的充电唤醒信号可以作为判断充电模式的依据。磷酸铁锂电池在低温下充电特性不好，低温下给锂电池充电比较危险，为了安全起见，系统进入充电模式前还应该进行温度判断，当电池温度低于0时，系统进入充电预热模式。 此时通过接通直流转换接触器可对低压电池供电，并通过预热装置对电池模块进行预热；当电池组内温度达到及超过0度时，系统即可进入充电模式，即闭合B接触器。
E. 故障模式
当BMS在任何模式下检测到故障时，都会进入故障模式，并上报VCU故障状态及相关故障代码。故障模式是控制系统经常出现的状态，由于车辆电池的使用关系到用户的人身安全，因此系统对于各种对应模式始终采用安全**的原则。BMS对故障的响应也取决于故障级别，当故障级别较低时，系统可以通过上报错误或发出轻微报警信号的方式告知驾驶员；当故障级别较高甚至伴有危险时，系统采用直接断开高压接触器的控制策略。低压电池是车辆控制系统的供电源，无论是充电模式、放电模式还是故障模式，直流转换接触器的闭合都可以使低压电池处于充电模式，从而提供持续的低压电源。
2.预充电控制方法
当BMS在上电状态下检测到VCU发出的预充使能信号时，闭合预充相关接触器并反馈接触器状态，同时检测动力母线电压并与动力电池电压进行比较，当动力母线电压达到合理状态时，主正接触器吸合，切断预充回路，完成预充过程。
3.充放电控制方法
通过分析电池单体的充放电功率特性，结合动力电池在不同环境、工况下的充放电能力，提出合理的充放电条件及阈值。从放电电流、电压、温度控制，充电电流、电压、温度控制，以及总电压上限、总电压下限、单节电压上限、单节电压下限、电流上限、电流下限、温度上限、温度下限、绝缘等方面对电池充放电进行控制。同时各控制阈值均有二级冗余保护，提高动力电池充放电的安全性。
根据环境温度、动力电池SOH、SOC、可充电功率等不同维度来控制动力电池的快充条件及阈值。
4. 热管理控制方法
根据BMS控制器上报的环境温度及动力电池温度信息，充分评估动力电池的充放电能力，开启和关闭相关加热、冷却装置。常用的热管理系统为风冷，模式分为充电热管理和放电热管理。冷却功能又有电池热管理和空调一体化热管理两档。其中电池热管理仅启动动力电池内部冷却装置，空调一体化热管理则同时开启整车空调和动力电池内部冷却装置。
5. SOC估算及校正方法
采用高精度电流传感器对电流进行采样、积分，基本计算方法如下：
在哪里：
SOC0为初始时刻的SOC；
CN为电池的额定容量；
I是电池充电和放电电流，
η为电池充放电效率。
由于车辆行驶状况复杂，电流精度有限，以及温度变化对电池容量变化的影响，导致SOC难以准确计算，因此产生了如下校正策略。
开路电压（OCV）校正：根据不同温度下电池单体电压与SOC的关系模型，估算当前SOC，下图为室温（25℃）下的OCV校正模型。
1.1 SOC动态校正
结合不同的车辆运行工况，建立不同温度下动力电池充放电状态下单体电压与SOC的关系模型，估算当前SOC，下图为不同温度下SOC的动态修正模型。
B. 充电校正
基于SOC的动态修正，在相对稳定的充电条件下，通过建立动力电池单体电压与SOC的关系模型来估算当前的SOC，下图为常温（25℃）下的充电修正模型。
6.故障诊断方法
随着车辆长时间行驶，动力电池可能出现短路、断路、电气性能下降、过充、过放、通风系统不良等故障，因此合理的故障诊断机制尤为重要。通过BMS监控和电气系统硬件匹配，可以合理识别有效故障，并给出安全预警或保护策略。针对每种故障，都有轻微故障、严重故障、致命故障三个等级的冗余判断。
7. 安全监控方法
安全监测是通过相关软件代码判断外部硬件电路、功能部件的功能故障，其目的是给动力电池增加一层软件冗余保护，让车辆行驶更加安全可靠。具体内容如下图所示。通过监测电压、电流、温度、时间、通信等信息，结合不同信息之间的关系，BMS对潜在的故障模式进行处理和识别。
6.BMS硬件设计
根据BMS的组成，系统硬件的设计主要包括数据采集、通讯、安全控制、热管理等模块，接下来我们来看一下硬件设计。
1.数据采集电路设计
电压、电流测量的准确性会直接影响SOC估算的准确性，下图是电压采样电路图。
总线正负电压经L1、L2组成的初级滤波电路滤波，经R1、R2、R3、RP取样电路采样，再经以LM258为基础的放大电阻转换成0~5V电压送至单片机的A/D口。由于总线电压很高，系统中加入了由D1、D2组成的保护电路，以保证单片机的安全工作。
在对电池单体电压进行采样时，必须对地进行隔离。本设计采用光控MOS管开关实现对电池单体的循环采样，任意时刻只采集一个单体电压，这样不仅提高了系统的可靠性，还降低了成本。电流采样通过霍尔电流传感器实现，输出信号经过分压、比较、放大后由MCU进行处理。
2.通信模块设计
与一般的通信总线相比，CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因此在汽车电子中得到了广泛的应用。本系统的微处理器中内置有CAN控制器，该芯片作为CAN总线收发器使用。BMS通过CAN与整车控制单元（VCU）等其他控制模块进行通信。为保证通信质量，在CAN收发器与单片机之间加了6N137芯片进行光电隔离，并采用CAN专用电源对信号地与模拟地进行隔离。另外，为了方便系统的参数调试，预留了UART口用于与电脑进行通信。
3.安全控制模块设计
电动汽车动力电池总电压一般在300V以上，所以必须设计安全控制模块，安全控制模块如下图所示。
电池接入车辆前，系统关闭预供电传感器，通过预供电继电器在电池母线上接入大电阻R，并检测其他参数，确保车辆正常运行后，断开预供电继电器，闭合母线继电器，将电池直接接入车辆。
采用漏电流霍尔传感器检测系统漏电故障，正负母线同时通过霍尔传感器，若系统发生漏电故障，则流过正负母线的电流代数和不为0，霍尔传感器输出电流信号。本系统中，当电流信号大于25mA时，漏电检测电路向CPU发出中断请求，CPU响应中断，切断母线继电器，并将故障信息发送给整车控制单元（VCU）。
4.热管理模块设计
电池组所处位置及外界条件均可能导致温度分布不均匀。温度分布不均匀会造成电池单体间电压不平衡，从而影响电池及整车性能。电池温度平衡主要采用通风及使用散热片的方法。采用有限元法对并联通风及串联通风进行分析，结果表明并联通风效果明显优于串联通风。热管理模块如下图所示。
共计6个数字温度传感器，放置在电池组的不同位置软件开发，系统每隔1秒通过总线采样一次温度，当检测到任意点的温度或温度变化率高于设定值时，启动变速风扇，只有当所有点的温度和变化率都低于设定值时，才停止变速风扇。
5.硬件抗干扰设计
车内其他设备及充电过程中的强电磁干扰，会造成BMS大量数据采集错误，因此采取以下抗干扰措施：
A、在电池组与汽车之间、BMS电源接口电路中接入高频滤波旁路电容，消除共模干扰；
B、在子板与模板之间增加高速数字隔离器，防止子板过压对主板冲击。
7.BMS软件设计
1.BMS软件流程
本设计采用模块化设计方法，实现对动力电池的有效管理。从功能上看，系统软件设计分为初始化、数据采集、温度控制、SOC估算、CAN通信和中断服务等部分。软件流程如下图所示。
系统中断响应服务程序包含过流、漏电等外部中断服务，当预上电检测失败或电池电压过高时，系统也会进入中断响应，确保车辆及乘客安全。考虑到电动车内部电磁环境恶劣，本设计完全避免使用多分支语句，降低电磁干扰对系统的影响。通过RS232与上位机连接，方便校准系统参数，观察电压、电流、温度及SOC估算值。
2.软件抗干扰设计
BMS电磁环境恶劣，极易受到各种电磁信号的影响，如IGBT、功率二极管频繁通断干扰等，直接影响数据采集的准确性，降低系统的可靠性和稳定性。对于此类干扰信号，在硬件抗干扰的基础上，再进行软件滤波，不仅可以提高滤波效果，还可以降低系统成本。考虑到IGBT、功率二极管通断等干扰频率在100Hz以上，本系统采用双线性Z变换实现二阶巴特沃斯低通滤波器，消除高频干扰。
8.系统测试
系统设计完成后，利用额定电压3.2V、标称容量50A·h的10芯锂电池包进行周期放电试验。由于电压、电流、温度的真实值难以确定，为了验证设计的BMS的有效性和准确性，在周期放电试验过程中进行了基于d SPACE的硬件在环仿真试验。本次试验将BMS测量的结果通过UART传输到PC机上，与真实值进行比对。下表为随机采样的7组电压、电流、温度的测试值、真实值、测量误差。
从上表可以看出，BMS电压测量精度小于0.5%，电流测量精度小于0.5%，温度误差小于0.5%。经测试，该BMS测量精度高，功能齐全，运行稳定，能有效提高锂电池的性能。
九、仿真与测试分析
1. BMS控制方法软件模拟测试
在软件中编写相关测试代码，验证BMS是否能按照提出的控制方法实现控制和保护功能，验证BMS是否能正常处理数据和诊断故障。下表为BMS控制方案的相关测试。
根据以上软件仿真及测试结果，所有BMS控制方式均可实现，为后续匹配的动力电池测试验证提供可靠支持。
2.热管理性能仿真分析
基于热管理系统，依托热管理控制策略，如下图所示，利用相关软件进行热管理仿真分析，研究电池组的温度分布趋势，分析某动力电池在不同倍率下的放电容量与温升情况，如下表所示。
通过模拟动力电池温度场分布，得到动力电池稳态温度分布，根据热管理相关控制方法，使动力电池在高倍率放电条件下依然能保持其放电容量，为动力电池在极端条件下的可靠工作提供数据支持。
3.动力电池循环寿命测试分析
对动力电池加入BMS控制方式前后进行了对比，依据QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》中相关试验方法，进行了动力电池组循环寿命试验，通过动力电池单体的一致性来衡量此BMS控制方式的可行性。下图是验证控制方式时的曲线图。根据图中数据分析，加入BMS控制方式后，在充电结束时，单体电压一致性得到了明显改善，电压平台也得到了改善，也就是充放电能力得到了一定程度的提升。
4、动力电池动态SOC测试分析
通过在控制方法中加减动态SOC修正策略，得到相同放电模式下的SOC估计精度，如下图所示。
从上图可以看出，正常驾驶情况下电流波动会导致SOC估算出现较大偏差；在无动态SOC校正的控制方案下，对应的放电末期SOC为10%左右，而在有动态SOC校正的控制方案下，放电末期SOC为0，可见动态SOC校正策略对放电末期SOC估算起着至关重要的作用。在放电末期，准确的SOC估算可以避免驾驶过程中驾驶员受到误导而导致车辆抛锚。
10. 结论
BMS作为动力电池的中枢控制理念，控制方式直接影响动力电池的使用寿命、电动汽车的安全运行及整车性能，对电池寿命有重大影响，决定了新能源汽车的未来，好的电池管理系统将极大促进新能源汽车的发展。
纯电动汽车高压电气系统安全设计
电动汽车电气设计
1.纯电动汽车电气系统安全性分析
纯电动汽车的电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统和CAN通讯信息网络系统。
1、低压电气系统采用12V供电系统，除给照明系统、娱乐系统、雨刮器等常规低压电器供电外，还给整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC变换器、电动空调等高压附属设备的控制电路供电；
2、高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC电压转换器、电动空调、电加热器、车载充电系统、非车载充电系统及高压电气安全管理系统；
3、采用CAN总线网络系统，实现整车控制器与电机控制器、电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机、非车载充电设备等控制单元之间的相互通讯。
纯电动汽车高压电气系统的安全设计
图高电压分配框
电压和纯电动汽车的水平相对较高。干净且未损坏，它可能高达数十公斤的欧姆，而湿皮肤的阻力（尤其是在操作）可能下降到1,000Ω以下，因为我国家的安全电压大部分为36 V，大致相当于人体允许人体的30 MA和人体阻力为1,200ω。 因此，要求人体可以触摸的任何两个活力的活力的电压必须小于36 V.根据国际电标准的要求，当前人体不觉得2 mA的当前安全阈值，当人体直接接触电气系统时，当前的任何部分都可以通过人体流动时，才能将其视为备用2 MA的习惯。
因此新能源汽车 BMS：跨越电池瓶颈，推动电动汽车发展的关键技术，在纯电动汽车的开发过程中，应特别考虑电气系统的隔热层，并且该设计应严格符合相关的电动汽车国家标准，以确保绝缘电阻可以满足人身安全的要求，并且绝缘电阻值大于100Ω/v。
2.高压电气系统的安全设计概述
与传统汽车相比，纯电动汽车使用大容量，高压电池，高压电动机和电动驱动器控制系统，并使用大量的高压配件设备，例如电动机，PTC电气加热器和DC/DC等。
根据纯电动汽车的特殊结构和电路复杂性，并考虑到纯电动汽车的高压电气安全问题，必须安全，合理地计划，设计和监视高压电气系统，这是对电动汽车安全操作的必要保证。
1.高压系统组成
图1显示了纯电动汽车的高压系统的框图，作为纯电动汽车高压系统的安全管理，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是实现系统功能的重要保证。
图1纯电动汽车高压系统的框图
2.高压电气安全系统的总体目标
高压电气系统控制，安全管理和故障诊断的总体目标是确保在整个固定，跑步和充电过程中，纯电动汽车中高压用电的安全性。
3.高压电气系统的安全设计
根据纯电动汽车的安全标准，并考虑到诸如车载储能设备，功能安全性，保护故障保护，人员电击保护以及高压电力安全管理和控制策略等方面，应设计高压电动系统的以下四个方面。
1.高压电磁兼容性设计
由于纯电动汽车具有强烈的电磁干扰，因此在设计高压接线线束时，电力线和信号线应分别隔离；应尽可能避免在相同的连接器上进行信号线。
2.高压组件和高压线束的保护和识别设计
高压组件的保护主要包括防水，机械保护和高压警告迹象，尤其是在机舱中排列的组件，例如电动机及其控制系统，电动空调系统，DC/DC/DC电压电压转换器，板上充电等，以及它们之间的连接互动范围。 s警告用户和维护人员，以关注维护和维修期间这些高压组件。
由于纯电动汽车的线束包括低压线束和高压接线线束，以提醒和警告用户和维护人员，因此高压线束应使用橙色电缆，并由橙色的管子进行橙色连接级别，并将其连接到橙色。
3.预充电电路保护设计
由于高压设备控制器的输入端有很多电容载荷，因此直接连接高压主电路可能会产生高压电击。纯电动汽车。
图2纯电动汽车高压系统的预充电电路的示意图
4.高压设备的过载/短路保护设计
当汽车的高压附件设备被超载或线路短路时，相关的高压电路应能够自动切断电源，以确保高压附件设备不损坏，并确保汽车的安全性以及驾驶员和驾驶员的安全性。当发生过载或短路并导致保险丝或接触器进入短路时，高压管理系统将对接触器联系人做出全面的判断，以及控制接触器关闭的相关有效说明，如果检测到相关电路故障，高压管理系统将发出可听见和视觉警报以提示驾驶员。
5.故障检测和故障排除方法
1）绝缘电阻故障处理
电动汽车的电气化程度高于传统车辆，电池组，电动驱动系统，高压电源辅助设备，充电器和高压电线线束可能会导致高压电路和车辆碰撞的影响和车辆的影响（车辆杂物的影响），可能会导致高压电路和车辆的影响因此，在设计高压系统时，要影响车辆驱动因素和乘客的生命安全，首先，应确保绝缘电阻值大于100Ω/V允许车辆再次上电。 高压电路的绝缘测试的特定实施标准是指国家标准“电动汽车的安全要求第1部分：车载储能设备”。
2）电压检测和故障处理
纯电动汽车的电源是电力电池的电压，当电池的电压和排放效率很高时，电池电压仍处于低电压状态。纯电动汽车的驾驶员和乘客在电池电压较低时，必须设计电压检测电路，以实时和准确地检测高压电路系统的工作电压以及安全合理的故障处理。
3）当前检测和故障处理
由于道路环境的影响和驾驶员的控制，汽车的运行状态将随时变化，电池的排放电流会在驾驶员的控制范围内发生明显变化。电压管理系统实时监视电池的电流。
图3大厅电流传感器的示意图
4）高压接触器接触状态检测和故障处理
为了实现纯电动汽车的控制功能，能够切断高压电路的保护功能，必须在高压电动汽车系统中控制自我保护并切断高压电路的情况，这可能会导致危险的情况。并控制汽车是否可以根据故障水平执行其他操作。
5）检测和故障处理高压互操作电路
高压电路互操作性设计是针对高压电路连接的可靠性的。
图4高压互操作电路检测的原理图
6）充电相互锁定检测和故障处理
由于安全性，整个驾驶员系统必须在充电过程中关闭，即，当高压安全管理系统收到有效的充电信息指令时，驾驶系统的高压接触系统需要断开连接。
6.高压系统剩余功率排放保护设计
因为高压系统的电动机控制器和电动空调具有大量电容器，例如高压组件。
图B汽车充电器
4.静态停车期间的安全管理概述
当汽车停止时，必须对高压安全电网系统进行一定时间（20 s或30 s），以确定高电压电网系统是否负面，整个高压电路是负数。指示提醒驾驶员。
5.碰撞安全概述
通常，电动汽车使用大约400 V的能力电池作为驾驶汽车的来源。系统收到相关传感器发出的信息，高压电源被关闭，并使用高压系统的电气排放电路来电力电力电力电力端的电压在1 s内放置，以避免发生火灾或泄漏事故引起的电击。
六、结论
通过参与大量电动汽车开发项目的设计，该文章分析了多个R＆D项目中纯电动汽车高压系统中高压电力系统的故障和安全风险，并提出了一套设计解决方案，以确保安全设计的安全性，对高压系统的安全性和碰撞的安全性，这对纯电动车辆的安全性具有一定的影响。
