3.1.2 電池管理系統及其必要性

電池管理系統是對動力電池組進行監測、控制和保護的軟硬件系統。電池管理系統由主控制器、參數采集和評估系統、均衡管理系統、能量管理系統、熱管理系統、安全保護系統、通信與數據存儲系統組成。下面分別介紹各個子系統及其重要功能。

電池的參數采集和評估系統實時采集電池組電壓、單體電池電壓、串聯電流、電池工作溫度等關鍵參數。電壓、電流和溫度等信息是電量估計以及均衡管理等功能的基礎。因此，穩定而可靠的參數采集模塊，可以為整個BMS提供實時、精確的數據信息BMS的主控制器會根據鋰電池的工作特性建立合適的數學模型，適用于各種電池，運用卡爾曼濾波等算法處理數據，對電池SOC進行精確估計，進而實現對電池老化程度（State of Health，SOH）的評判。

電池的均衡管理系統是控制電池單體間差異、減緩電池組容量衰減速度、延長電池組使用壽命的關鍵系統。對串聯動力電池組而言，其性能是由電池組中性能最差的單體電池決定的，因此電池均衡管理是為了確保充放電時各單體電池電量基本相等，以提高動力電池的整體性能，即單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。均衡技術是目前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。均衡管理系統根據均衡判據，采用主動均衡或者被動均衡的方式，對平均電壓存在明顯差異的單體電池進行均衡充放電。主動式均衡調節能將電量相對充足的電池的能量向電量相對低的電池轉移，在充放電時都能實現；而被動式均衡一般采用并聯電阻的方式，將多余的電池能量以熱能的形式散發掉，當某節電池需要均衡時，為電池提供一條放電通路，通常用于充電階段。

電池組的能量管理包括充電控制管理和放電控制管理。充電管理系統設置是否合理，關系到電池充電飽滿程度及充電效率，須保證在盡量短的時間內以合理的充電方式和合適的充電倍率將電充滿。放電管理系統的功能主要是，匹配純電動汽車行駛過程中不同工況時的放電倍率，保證盡可能長的續駛里程。純電動汽車常用多分組能量管理方式進行充放電管理。電池安全保護系統通過判定電池在充放電過程中電壓、電流和溫度等參數是否超過預設閾值來實現動作，起到對電池的保護作用。

電池在充放電的過程中，除了能量管理系統工作外，熱管理系統也將啟動，通過對電池組系統進行加熱或者散熱，調節鋰電池的工作溫度，盡量使溫度環境處在鋰電池最適宜的范圍，以最大化發揮電池組的能力，延緩電池老化。熱管理系統主要有三種形式：空氣介質熱管理系統、液體介質熱管理系統和相變材料熱管理系統。熱管理系統的作用是讓電池處于最佳工作溫度區間5～35℃，且電池組最大溫差不超過6℃，最大限度地延長電池組使用壽命。

電池的通信與數據存儲系統要求BMS必須具備和上位機進行通信的功能，通常采用串口通信方式進行通信。汽車常選用控制器局域網（Control Area Network，CAN）串行通信方式。純電動汽車動力電池管理系統的CAN由三部分組成：整車CAN、快充CAN和內網CAN。整車CAN是指整車控制器與電池管理單元之間的通信；快充CAN是指充電機管理模塊與電池管理單元之間的通信；內網CAN則是指電池管理單元與電機控制管理模塊之間的通信。動力電池的電壓、電流和溫度等參數儲存在BMS主控制器芯片的程序存儲器中，以方便調用和查找。同時，主控制器中也設置了相關程序周期性地清除歷史數據，便于存儲實時更新的參數。