1.4 電池能量管理系統

隨著電氣化動力系統變得日益復雜，電池能量管理系統（Battery Management System,BMS）需要執行的功能增多，承受的負擔之重前所未有。無論是簡單的充電控制器還是復雜的控制單元，對于BMS的需求都在迅速增長，尤其是在電動車輛領域。除了傳統的充電狀態監控外，BMS還必須遵守日益嚴格的安全法規，注重控制和待機功能、熱管理和用于保護車廠電池的加密算法。未來，甚至車輛控制單元的部件和功能也會與BMS相關聯。BMS在電動車輛領域發揮著重要作用。然而BMS的各個子功能往往由車廠定制，會因系統配置不同而存在很大差異。因此，不可能制定出適用于每一個電動車輛制造商的完整的BMS要求列表。然而，電池管理系統處理的任務范圍不斷擴大，這一事實毋庸置疑。BMS最常見的要求包括安全要求、控制和監控功能、待機功能、熱管理、加密算法和預留可擴展接口以增加新功能。電池系統中最危險的故障來源有：因電纜磨損或事故而導致車輛底盤出現高電壓漏電而未被發現；各種引起高電壓電池起火或爆炸的原因，例如對電池過度充電、電池過早老化（如爆炸性氣體泄漏）、液體進入和短路（如因雨水引起）、濫用（如維修不當）和熱管理錯誤（如冷卻失效）等。在安全方面，主開關（主繼電器）在避免與高電壓相關的事故中起到了重要的作用，它可確保BMS電子系統能夠做出充分的故障反應。發生故障時，BMS模塊會在適當的故障反應時間內斷開開關（例如10ms以內）。非關鍵故障安全條件的特征通常是：如果BMS微控制器（MCU）失效，甚至在控制器邏輯完全失效的情況下，獨立的外部安全元件（如窗口看門狗）仍可確保主開關繼電器可靠地打開逆變器（正/負）的兩個高電壓觸點。BMS中還集成了其他安全功能，包括漏電電流監控和主開關繼電器監控。BMS功能包括對電動車輛中昂貴的高電壓電池的監控、保養和維護，如圖1-13所示。BMS控制和監控功能來源于安裝于電池包中的電子平衡單元，它管理各個電池組內的平衡，同時精確地感測各個單電池的電壓。平衡芯片通常可管理多達12個單電池組成的電池組。相關數量的電池組串聯后可產生高達數百伏的高電壓以供逆變器控制之用，這是電動車輛電驅動所必需的。通過對所有高電壓電池總電流的測量，以及通過芯片對各個單電池電壓進行精確同步監控，BMS可使用特定算法（如基于電池化學Matlab Simulink模型）評估充電狀態及健康狀態等電池參數。BMS通常不會安裝在非常靠近高電壓電池的位置，但是通常會通過冗余的流電去耦總線系統（如CAN或其他適合的差分總線）與電子平衡從動元件相連接。去耦總線系統由汽車12V電池供電，因此可通過現有的網絡架構與現有的控制單元群組結合使用，無須進一步的流電去耦措施。最后，它還改善了安全性，因為它讓BMS能夠在高電壓電池發生機械或化學缺陷時確保功能正常并且安全地斷開主開關。根據制造商選擇的電動車輛特定電子拓撲結構，目前已有高階驅動策略的逆變器控制單元和獨立的整車控制單元，同時還有整個轉矩控制系統，這些系統還具有其他高級功能，如智能電源管理等。電源管理器（通過集成的導航單元）將駕車路線規劃涵蓋在內，可根據具體路線優化整個電源系統，因此有助于增加車輛的行駛范圍。

圖1-13 電池管理系統模型解剖圖