1.4 電池管理系統

1.4.1 定義

電池管理系統（Battery Management System，BMS）是對電池進行管理的系統，通常具有測量電池電壓的功能，防止電池過放電、過充電、過熱等異常狀況出現。

隨著技術發展，在BMS中已經逐漸增加了許多功能。對于新能源汽車而言，通過該系統對電池組充放電的有效控制，可以達到增加續航里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的，并保證動力電池組應用的安全性和可靠性。新能源汽車是汽車行業的發展方向。鋰離子電池作為新能源汽車的儲能設備，具有電壓穩定、供電可靠等特點。

目前，常用的鋰離子電池一般通過串聯和并聯的方式形成鋰離子電池組，以滿足新能源汽車高電壓、大容量使用要求，在使用過程中，由于單體電池性能差異、環境溫度變化、過充/放電等因素影響，電池組性能取決于性能最差的單體電池。因此需要通過BMS對鋰離子電池組進行有效的能量管理，以提高鋰離子電池組的使用效率，延長電池組使用壽命，降低運行成本，提高電池組可靠性。

1.4.2 功能

在鋰離子電池組的整個生命周期中，BMS對核心參數SOC的監控和調節將影響動力輸出的效果和安全性。因此，實時監測該參數的變化，對保障鋰離子電池組的工作性能是非常有必要的。由于BMS技術尚不成熟，使用過程中存在因SOC估算不完善帶來的續航能力預測不準確問題，以及能量失衡、熱失控等安全隱患，嚴重制約了鋰離子電池組的發展。鋰離子電池組的BMS中，各關鍵參數間的邏輯關系如圖1-2所示。

因此，BMS中的主要功能如下所述：

（1）準確估測動力電池組的荷電狀態 準確估測動力電池組的荷電狀態（SOC），即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池組造成的損傷，從而隨時預報新能源汽車動力電池組的剩余能量或者動力電池組的荷電狀態。

鋰離子電池組由具有高能量密度和閉路電壓的鋰離子電池單體組合構成，其安全性受到所處工作狀態的影響。SOC表征了鋰離子電池組的剩余電量，是為動力控制總系統提供動力供應保護的關鍵因素。此外，鋰離子電池組的充放電過程包含復雜電能、化學能和熱能轉換等環節，過充電和過放電現象易引發安全事故，精確的SOC估算在防止過充電和過放電中起著重要作用。在鋰離子電池組的動力領域應用中，其安全性依然是最為關注的問題，SOC估算是其安全使用的基礎和前提。

（2）動態監測動力電池組的工作狀態 在電池充放電過程中，實時采集動力電池組中的每塊電池的端電壓、溫度、充放電電流及電池包的總電壓，防止電池發生過充電或過放電現象。

（3）單體電池間和電池組間的均衡 即在單體電池、電池組間進行均衡，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。電池均衡一般分為主動均衡和被動均衡。目前已投入市場的BMS，大多采用的是被動均衡。均衡技術是目前世界正在致力研究與開發的一項電池能量管理系統的關鍵技術。

通過對BMS的不同功能加以探索，將其結構分為測量、管理、評估、外部通信、日志與遙測，如圖1-3所示。

其中，各模塊的功能簡介如下：

（1）測量 標準版的數字BMS，其首要功能就是收集數據，測量的信號如下：

1）單體電池電壓（也可能包含電池組電壓）。

2）典型單體電池溫度（至少含有電池模塊溫度）。

3）電池組電流。

（2）管理 BMS從以下三個方面管理電池模塊：

1）保護。禁止電池工作在安全區域（State of Area，SOA）以外。

2）平衡或再分配。使電池模塊容量最大化。

3）熱管理。主動動作使電池工作在安全區域以內。

簡易版模擬BMS可能僅具備保護和平衡功能。數字BMS則具備大部分或全部功能。

（3）評估 依據測得數據，BMS能夠計算或估計出表征電池組水平的相關參數，主要如下：

1）荷電狀態（SOC）。

2）放電深度（Depth of Discharge，DOD）。

3）電阻。

4）容量。

5）健康狀態（State of Health，SOH）。

通常情況下，模擬BMS不具備這些功能。而大多數BMS只具有電壓、電流和溫度等基本信號檢測的功能，只有復雜BMS才會具有上述所有功能。

這些評估功能既保護了電池組，又為使用者提供了方便。例如，SOC給出了電池組還能用多久的提示，SOH給出了何時更換電池組的預警，或以較小強度使用電池組以提高使用壽命。如果不能準確檢測電池狀態，電池組很早就需要進行更換，因而帶來經濟損失。這些參數迄今為止尚不能十分準確地估算，從而在實際應用和理論估算之間形成巨大差異。

（4）外部通信 BMS是否與外部系統進行通信，取決于其型號。

1）調節器和測量儀都沒有定義任何外部通信。

2）監測器和平衡器要求具備一些外部通信功能，以便告知系統減小或者關斷電流。

3）調節器和保護器是自包含的，不需要外部通信。

BMS進行外部通信時應具備如下條件之一：

1）BMS發出指令。

2）系統要求減小或者關斷電流。

3）要求記錄電池組狀態和BMS本身的數據。

4）有指令送至BMS。

5）系統配置命令。

6）記錄外部傳感器的數據。

通常來說，通信可以分解如下部分：

1）專用線。具有專門功能的線路，功能可以是模擬（連續變化）信號。

2）數字（0/1）控制信號，用在固態裝置或機械式繼電器中。

3）數字連接。與數字信號的通信連接，可以是專用的，也可以是通用的數據端口（RS232、CAN、Ethernet）。

4）無線連接（WiFi，藍牙）。

5）輕連接（光纖，紅外連接）。

（5）日志和遙測 由于BMS可能在錯誤的日志中仍存儲一些記錄，期望其可以實現得更多，主要包括：

1）電池組電壓。

2）電池組電流。

3）電池組SOC和SOH。

4）電池組內阻。

5）最小和最大單體電壓。

6）最低和最高溫度。

7）報警與錯誤。

相同數據可以傳輸到遠程位置（遙測）。常用的方法是蜂窩調制解調器，其他傳輸方式包括網絡尋呼機。

1.4.3 集成芯片

1.ATMEL公司生產的BMS處理器

ATMEL公司生產的ATmega406實際上是包括外圍設備的一個全微處理器，可以管理小容量的鋰離子電池。其外形類似于TI芯片，但是它需要用戶編寫內部程序。

此芯片的優點如下：

1）一個芯片最多可以管理4只串聯的鋰離子單體電池。

2）可以通過編程的方式實現對鋰離子電池的智能管理。

3）ATmega406幾乎不需要額外的保護組件。

4）應用焊接在電路板上的MOSFET和外部電阻，可以實現對電池的均衡控制。

5）具有剩余電量檢測功能（表現在SOC和DOD計算上）。

6）對外使用SMB（Server Message Block）串行接口。

其缺點主要如下：

1）無法應用于大容量電池組，最多只能管理4個單體電池。

2）對于通過Off方法來進行SOC估算來說，58mV的精度偏低。

3）對于大容量電池組來說，2mA的均衡電流不足。

2.Elithion公司生產的BMS芯片集

Elithion公司生產的芯片集作為Lithiumate BMS的核心，與其搭配組成BMS，該BMS只能實現既定應用場景所需的功能。該芯片集的使用過程如下：

1）用戶首先安裝現有的Lithiumate BMS，并確認它能滿足需求。

2）用戶與Elithion公司簽訂關于知識產權的保護協議。

3）Elithion公司將會為用戶提供Lithiumate BMS的設計文件。當然，如果用戶需要，還可以根據用戶的實際應用需求對Lithiumate設計進行改進。

4）用戶可使用從Elithion公司直接購買的Lithiumate集成電路建立自己的BMS生產線。

使用這個芯片集的優點是Lithiumate BMS是一個規模化的、可直接利用的、有良好應用記錄的、精良的電池管理系統，可以在一周內實現Lithiumate BMS的購買、安裝、調試和檢測等工作。相比其他現有的BMS來說，Lithiumate BMS可以保證用戶在短時間內決定其是否能夠滿足自身的使用需求。然后稍做加工，一個應用此芯片集的Lithiumate BMS就組裝完成了，用戶可以根據自己的意愿對其命名，并進行相關標識。此芯片集的優點如下：

1）能實現對1～255個串聯單體電池的管理（最大1000V）。

2）對電池容量和電流沒有限制。

3）單體電池安裝板上只有一條鏈狀德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的bq29330和bq20z90構成的四電池保護器電路，所需的安裝控制空間較小，線束排列整齊，安裝難度較低。

4）芯片集包含兩組集成電路。一組EL01用于串聯電池組中的每個單體電池，另一組EL02用于BMS控制器。

5）BMS的控制器能夠完全滿足系統的需要。

6）BMS可以輸出每個單體電池的實際工作電壓和溫度。

7）BMS具有剩余電量檢測功能（SOC和DOD），并且可進行SOH估算。

BMS可以通過外部組件實現對單體電池的均衡管理（可以實現主動均衡）。當然，Elithion提供的解決方案也有局限性，具體如下：

1）算法程序不能嵌入TI公司生產的芯片中。

2）BMS不是完全集成的。要構成一個完整的電池電路板，還需要增加14個外部組件。

相比其他的方案，該方案成本較高，該BMS前端模塊如圖1-4所示。

3.National Semiconductors公司生產的成套BMS

作為較晚進入鋰離子電池管理領域的公司，National Semiconductor是第一家，也是唯一一家為客戶提供完整成套的大容量鋰離子電池組管理系統的半導體公司。

4.PeterPerkins生產的開源BMS

Peter致力于開發BMS開源項目，在將Bedford Rascal廂式貨車改裝成由太陽能和風能輔助的貨車時，需要一個鋰離子電池管理系統，卻發現沒有合適的BMS可以使用，因此他自己設計了分布式的均衡器，并將自己設計的BMS改進成適用于各種場合應用的產品。

Peter開發的BMS是一個精密的數字型鋰離子電池均衡器，目前最多可以管理由256個單體電池組成的電池組。這種BMS可以是分布式結構，也可以是集中式結構，每個電池板電路由其管理的單體電池進行供電，具有測量單體電池電壓和以300mA電流均衡控制的功能，但是沒有測量電池工作溫度的功能。從主控制器伸出兩根環狀鏈式結構導線與每個電池電路板相連，最后再回到控制器。該系統包括一個電流感應器（可用于SOC估算），一個RS232端口和一個顯示裝置。該系統的成本很低：一個管理16個單體電池的電池管理系統的成本僅僅需要100美元的零件費用，并且它的組裝也很方便，只要有基本焊接能力的工作人員就可輕松完成。同時，因其軟件可以隨時改進以適應不同用戶的需求，故該系統使用起來非常靈活。

5.TI公司生產的bq29330/bq20z90

TI公司是小容量鋰離子電池管理系統集成電路方面的領導者，其產品在電話及筆記本計算機上均有較多應用。TI公司于1999年收購了Unitrode公司，開始涉足電池管理系統領域，而Unitrode公司此時剛剛收購了電池管理系統集成電路的領軍公司——Benchmarq公司。因此，其集成電路型號的前級仍舊是bq，和在Benchmarq公司時一樣。但其大部分產品最多只能管理4只串聯的單體電池。應用bq29330和bq20z90兩個型號的集成電路可以搭建出一套完整的BMS，這種電路的優點如下：

1）應用了當今商業可應用的最優秀的算法實現了對鋰離子電池的管理。

2）輔助集成電路可以為電池提供強有力保護。

3）幾乎不需要額外的組件。

4）可應用電路板上的組件對單體電池進行均衡管理（也可應用外部負載）。

5）具有超過1%精度的估算特性（在SOC和DOD的計算上）。

6）包含一個SMB串行接口。

這種電路的缺點是均衡電流非常小。雖然可以通過應用外部MOSFET來增大電流，但是實際上并沒有足夠的引腳來驅動MOSFET，因此其均衡特性受到限制。

2008年以來，TI公司的應用工程師們不再建議客戶將這兩種集成電路強行應用于大容量電池組中，因為這樣使用的效果并不是很好。Vectrix摩托車使用的是26650型磷酸鐵鋰離子電池，每4個單體電池經串聯后形成一個小容量電池組，使用TI公司的集成電路進行管理，為了彌補TI公司集成電路均衡效果不理想的缺點，在每個電池上又增加了一個調節器，同時為便于對這些調節器進行管理，又增加了一個主控制器，但是即使這樣，也沒有得到令人滿意的結果。這種集成電路只在為其專門設計的電路條件下才能表現出最佳的特性，即適用于小容量4個電池串聯的電池組，但它非常不適用于大容量電池組。盡管理論上，用戶可以基于該集成電路集通過設置從屬電路的方式來對4個串聯電池進行管理，但是在實際應用中，同樣會有如下的限制：

1）所有的TI公司集成電路都應用了相同的I²CID，因此它們不能安裝在同一條母線上。需要引入多路復用器，從而保證主控制器每次可以和一個從屬集成電路進行數據通信。

2）每一個集成電路都需要配備一個小電流感應電阻，并且為了保證它能在單獨的大電流傳感器下正常工作，還需要跳過很多環節。

3）在大容量電池組中，主控制器通過單獨的大電流傳感器來對電流進行測量。但是該芯片集并不知道測得的電流是什么，因此該芯片集可以估算電池狀態的精密算法就變得毫無用處。

4）一些用戶可能會通過為每個單體電池增加電流傳感器和從電路的方式來激活這些算法，這也就意味著芯片需要與小電阻分流器并用，但這些芯片是無法與大型分流器并用的。此外，每個從電路的電流分流器會造成令人無法接受的損耗。

5）每個從屬單元都具有自己獨特的控制方法，因此主控制器與從屬單元之間可能無法很好地協同工作。例如，因為芯片中并沒有對于外部負載控制的預先設定，主控制器無法對均衡負載進行直接控制。因此不推薦在大容量電池組的電池管理系統中，應用此芯片集。

6.TI公司生產的bg78PL114/bg76PL102

TI公司生產的bg78PL114/bg76PL102是包含主動均衡功能并用于商業化的BMS芯片集。bg78PL114芯片至多可以管理4個單體電池。通過增加一個或更多bg76PL102芯片（每個可以管理2個單體電池）的方法，最多可以管理12個串聯的單體電池。

此芯片集的優點主要如下：

1）主動均衡采用兩個MOSFET和一個LC裝置，在某個電池和與它相鄰的兩個電池之間進行能量傳遞。

2）目前商業可用的、最優的鋰離子電池管理算法。

3）優于1%精度的估算特性（在SOC和DOD的計算上）。

4）SBM串行接口（可以擴展到用于筆記本計算機的電池的1ZC標準）。

TI公司的應用工程師或許會使用戶相信這個芯片集是大容量電池組管理系統的理想選擇。該芯片集在為其專門設計的電路條件下工作時，效果還是很好的：適用于小容量、由12個串聯電池組成的電池組，且具有主動均衡功能。但它并不適用于大容量電池組的管理系統。然而，用戶或許在理論上可以基于這個芯片集進行從屬單元設置，這樣，每個芯片就可以管理12個串聯的單體電池。這樣會遇到bq29330和bg20z90芯片集等類似的全部限制，主動均衡電路可以在一個從屬單元管理的12個單體電池之間進行電荷傳遞，但無法在相鄰的從屬單元間進行，這將會導致電池組間的不均衡。

對于這一點限制的解決方案：用戶可以在保持不平衡的狀態下對電量最多的電池組進行再均衡管理，通過主動均衡電路效率不高的特點，對其進行能量釋放。當然，這將會消耗掉與被動均衡電路相同的電能，其均衡控制時間還會長于被動均衡電路。