新能源汽车BMS核心技术及发展前景

汽车重要的动力来源，电池管理系统（ Battery Management System， BMS ）主要负责电池的安全保护，防止电池出现过充、过放，使电池工作在合理的温度区间，进而延长电池寿命，提高整车性能。本文首先对BMS的核心技术进行阐述;其次对电压采集、电流采集、热管理、SOX估计等功能进行分析;最后，在当今人工大数据和人工智能发展趋势下，对BMS的发展前景进行了展望。

关键词：新能源汽车  电池管理系统  SOX估计

中图分类号：U469.7                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0117-03

Abstract： Battery is the main power source of the new energy vehicle. Battery Management System（ BMS ） is responsible for the safety protection of the battery. To extend the life of battery and improve the performance of the vehicle， BMS can avoid the battery in over-charge， over-discharge state; and keep the battery in operational temperature range. Firstly， this paper has a short describe about BMS function， then has an analysis about the key function， like voltage sample， current sample， thermal management， SOX estimation， .etc. Finally， the future development trend of BMS is prospected at the ground of Big Data and artificial intelligence.

Key Words： New energy vehicle; Battery management system; SOX estimation

純电动汽车和混合动力汽车被认为是替代传统内燃机汽车最好的方式。近些年纯电动汽车和混合动力汽车技术发展迅速，由于具有高能量密度、低污染和长循环寿命周期，动力电池用作为纯电动汽车和混合动力汽车的动力来源。另一方面，在新能源汽车中，电池需要格外关注。不正确的操作，比如过流、过压或过充、过放将会对电池安全产生重要的影响，这将会加速电池老化，甚至引起电池起火或者爆炸[1]。因此合理的电池管理系统对于电池安全和电池的可靠运行起重要作用[2]。电动汽车重要组成部分如图1所示。

1  BMS 核心技术

电池作为新能源汽车的动力来源，在纯电动汽车应用中需要格外关注。在使用中电池如果经常处于过充、过放、过温、低温条件下，将会加速电池老化[3-4]。电池包是由多节电池单体串并联组成，应该制定合理的电池包。除此之外，合理的电池管理系统对于保护电池至关重要，需要仔细设计。本文对BMS的核心技术功能进行说明，如电池温度电压采集、电池模型、SOX估计、充电控制、热管理、继电器诊断、高压安全、故障诊断等功能进行说明。

1.1 电池温度电压采集

电池温度、电压是电池的关键参数，BMS的控制是基于该参数基础上进行分析和控制。

目前常用的采集芯片是专用芯片lTC6803、lTC6804系列。

电池的温度由温度传感器采集获得，温度传感器一般采用NTC温度传感器，通过采集的温度判断电池是否处于过温状态。通过仿真测试在合适的位置布置温度传感器。

1.2 电池总压、电流采集

电池总压、电流是BMS的关键参数，总压的采集可以使用高压盒，电流的采集可以使用霍尔电流传感器、分流器。

1.3 SOX估算

SOX估算统指电池状态估计，包括电池荷电状态 （ State of Charge， SOC ）估计、电池健康（ State of Health， SOH ）估计。SOC和SOH估计是BMS的核心技术。

（1） SOC指电池的荷电状态，它不能通过测试装置直接测量得到。近些年好多专家学者提出了不同的方法估计SOC。常见的方法有：开路电压法、安时积分法、神经网络法、卡尔曼滤波法。在工程应用中以开路电压法和安时积分法为主，再加以边界修正估计SOC，该方法简单可靠，便于工程应用。

其中，SOC（k0）是已知的初始SOC，η是电池充电或放电效率，Cn是指电池标陈容量I（t）是指充放电电流，此处规定充电电流为正，放电电流为负。

其中，SOC（k0）在整车上电瞬间可以经电池OCV查表获得。

（2）SOH指电池的健康状态，在车辆中它也不能直接测量得到，但是我们必须知道精确的范围和功率预测。如果BMS中没有SOH修正或更新，驾驶员将过多期望里程或者感到加速缓慢。通常SOH的计算公式可表示为：

其中SOH（t0）表示初始SOH，是电池老化速率函数，它与电池电流、温度、SOC和其他影响因素，others指外界力的因素，比如机械应力。

（3）SOP是指在预定时间间隔内，动力电池所能释放或吸收的最大功率。SOP估计可评估电池在不同SOC和SOH下的充电、放电功率极限能力，最优匹配动力电池系统与汽车动力性能间的关系，以满足新能源汽车加速和爬坡性能，最大限度地发挥电机的再生制动能力。动力电池的实时峰值功率受电压、温度、电流、可用容量及SOC制约。

1.4 充电技术

根据充电流流程，确定对充电机需求的电压、电流值;充电机响应BMS的请求值。目前常用的充电方法有恒流充电、恒压充电、恒功率充电。整个充电过程中，BMS决定充电电压和充电电流。

1.5 热管理

温度是电池的重要参数，温度对电池的影响包括：影响新能源汽车电热系统的操作、行驶效率、充电能力、功率和能量能力、安全可靠性、电池寿命和电池寿命周期成本。在充放电过程中防止出现过压、过温，否则易发生危险。

为了维持电池温度在稳定的区间，分为风冷和液冷技术。

1.6 高压安全

在高压回路闭合状态下，为了保证电池高压安全的安全，需要具备高压保护功能，如下。

（1）HVIL高压环路互锁功能。

（2）绝缘检测功能。

（3）碰撞信号检测功能。

1.7 均衡功能

在电动汽车中应用的动力电池由上百串电池串并联而成。由于电池生产工艺的不一致性和整车的不一致性，必然导致使用过程中动力电池的不一致性，随着电池寿命的衰减及电池日历寿命的减少，动力电池之间的差异必然越来越大。因此为了提高电池的一致性及延长电池寿命，电池的均衡技术显得尤为重要。为提高电池一致性，需要对一致性差的电池进行均衡。

均衡技术的分类[5]：

主动均衡又称能量转移法，在充放电过程中，通过某种介质把能量从电压较高的电池转移给电压较低的电池，从而实现动力电池组的均衡充放电。

被动均衡即通过与电池连接的电阻，将高于其他电池单体的能量释放，以达到各单体的均衡。

目前各个主机厂采用的均衡方式多是被动均衡，被动均衡简单可靠，易于实现。非耗散型均衡是未來发展的方向。

1.8 故障诊断

诊断模块对整个功能进行诊断，包括单体电压、单体温度、总电压、电流、通信状态、SOC等。支持诊断协议，提供诊断协议内所规定的所有功能，包括读取故障码、读取冻结帧等。

1.9 基础软件

BMS底层必须具备底层IO驱动、CAN通讯、安全监控复位、CAN程序刷新、故障诊断及处理、测量标定、芯片自检等功能。

1.10 信息管理

运行中电池数据信息大，BMS对信息进行处理和筛选，储存关键信息，如SOC、充放电次数等，保持和整车控制器等网络节点进行通信[6]。

2  BMS发展趋势

2.1 大数据处理功能

随着大数据时代的不断发展，BMS与云端平台进行实时交互，针对电池数据可以深度分析挖掘，进而完善BMS性能制，制定更加合理地控制策略，从而更好地处理动力电池管理问题，提高电池品质。

2.2 智能化

人工智能发展迅速，BMS在硬件、算法方面必然有快的发展，BMS的硬件资源会更加丰富，满足功能发展的需求;先进的智能算法依托先进的硬件平台资源，在SOC估计、SOH估计、充电、均衡等方面将广泛应用，将会大幅度提高BMS质量。

3  结语

新能源汽车虽然是朝阳产业，但是随着技术的发展，也使新能源汽车加速进入智能化与网联化。因此对动力的来源电池管控尤为重要，这就要求BMS的功能不断完善、性能要求不断提高，随着人工智能与大数据的步伐一同发展。

参考文献

[1] Abada S， Marlair G， Lecocq A， et al. Safety focused modeling of lithium-ion batteries： A review. Journal of Power Sources， 2016（306）：178-192.

[2] Kailong LIU， Kang LI， Qiao PENG， Cheng ZHANG.A brief review on key technologies in the battery management system of electric vehicles[J].Front. Mech. Eng. 2019， 14（1）： 47-64.

[3] Park B， Lee C H， Xia C， et al. Characterization of gel polymer electrolyte for suppressing deterioration of cathode electrodes of Li-ion batteries on high-rate cycling at elevated temperature. Electrochimica Acta， 2016（188）：78–84.

[4] Li J， Han Y， Zhou S. Advances in Battery Manufacturing， Services， and Management Systems. Hoboken： John Wiley-IEEE Press，2016.

[5] 谭晓军，电动汽车动力电池管理系统设计[M].第1版.广州：中山大学出版社，2011.

[6] 熊瑞.动力电池管理系统核心算法[M].第1版.北京：机械工业出版社，2018.