電池是電動汽車的動力來源，其容量及能量密度影響著汽車的續(xù)航，其品質(zhì)影響著汽車的安全性能。如何避免應(yīng)用中的電池過度充、放電，改善電池組中各單體電池的不對稱性，提高電池組的效率，延長其使用壽命都是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)問題。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）作為連接電動汽車電池組、整車系統(tǒng)和電機(jī)的重要橋梁，通過與動力電池緊密結(jié)合的傳感器，對電池的電壓、電流、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)對汽車電動系統(tǒng)的全面管理。
總之，作為電池系統(tǒng)的核心，BMS在電動汽車中扮演著重要的角色。對BMS關(guān)鍵技術(shù)的探究具有重要意義。
一、BMS的功能模塊
圖1 BMS功能一覽
BMS是動力電池的中樞，負(fù)責(zé)管理、維護(hù)、監(jiān)控電池各個(gè)模塊，肩負(fù)著安全保護(hù)、提高能量利用率、延長電池使用壽命、幫助電池正常運(yùn)行的重任。
BMS主要的功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計(jì)、在線診斷與預(yù)警、充放電與均衡管理、熱管理及安全保護(hù)等等。
二、功能核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)
1、電池狀態(tài)監(jiān)測
BMS要實(shí)現(xiàn)諸多功能，首先得實(shí)現(xiàn)對電壓、電流、溫度等電池物理數(shù)據(jù)的采集。
1.1、電壓監(jiān)測
電動汽車電池由幾千節(jié)單體電池經(jīng)過并聯(lián)、串聯(lián)組成，以滿足汽車對電壓及容量的要求。因此每只電池的狀態(tài)變化都會影響電池組的性能。電壓是反應(yīng)電池運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，因此必須對電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
GB/T 38661-2020（電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件）對電壓檢測精度有明確的要求，如圖2所示：
圖2 GB/T 38661-2020對電壓監(jiān)測的要求
BMS主要利用專用的電池電壓監(jiān)測芯片對多單體電池的電壓進(jìn)行采集測量，也就是AFE芯片（Analog Front End）。目前市場占比較大的廠商有：ADI、ST、TI、NXP等。
以ADI的LTC6811為例，圖3是推薦采樣電路圖：
圖3 LTC6811推薦采樣電路
其中電池單體通過串聯(lián)的方式依次疊加，采樣芯片與電池連接如圖所示，并且由100Ω的串阻及10nF的電容組成RC電路進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)對電壓的采集。
由于芯片處理的是數(shù)字信號，而采集到的信號是模擬信號。所以LTC會通過ADC（Analog To Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算、儲存及顯示。
1.2、溫度監(jiān)測
溫度對電池性能的影響是最大的，反映在電池容量、電壓和使用壽命上：溫度降低，電池內(nèi)阻加大，電池化學(xué)反應(yīng)速度放慢，導(dǎo)致電池功率和能量輸出下降；溫度升高，則會加劇電池內(nèi)部的反應(yīng)速度，但是較高的溫度會破壞電池內(nèi)部的化學(xué)平衡，影響電池的使用壽命。
一般來說，鋰離子電池適宜的工作溫度為15°C~35°C，而電動汽車的實(shí)際工作溫度為-30°~50°C。因此需要根據(jù)電池的溫度進(jìn)行散熱或者供暖，也就是汽車的熱管理。所以精確采集電池溫度是及其重要的。
GB/T 38661-2020中對溫度監(jiān)測精度的要求如下：
圖4 GB/T 38661-2020對溫度監(jiān)測的要求
對電池的溫度采樣電路，基本都是通過ECU測量外置的NTC電阻阻值，然后根據(jù)R-T曲線轉(zhuǎn)換成電池的溫度值。
NTC溫度傳感器主要以Mn、Cu等金屬元氧化物為材料，經(jīng)過陶瓷和半導(dǎo)體計(jì)算結(jié)合制成，其工作原理是：溫度較低時(shí)，復(fù)合材料載流子數(shù)目少，電阻值較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子的數(shù)目相應(yīng)增加，電阻對應(yīng)降低，其R-T曲線如圖5所示。
圖5 不同溫度系數(shù)的熱敏電阻R-T曲線
由圖5可以看出R-T曲線并直線對應(yīng)關(guān)系，在低溫中阻值變化較大，高溫變化較小，測量時(shí)會有較大的誤差，所以需要在工作電路中加入三極管，使測量精度更高，工作電路如圖6所示：
圖6 溫度采樣原理圖
在低溫時(shí)，傳感器電阻值大，線路中僅10kΩ接通，三極管截止。此時(shí)傳感器電阻值與10kΩ電阻阻值接近，因而測得數(shù)值更為準(zhǔn)確；在高溫時(shí)，傳感器電阻值變小，屆時(shí)阻值遠(yuǎn)小于10kΩ，ECU使三極管導(dǎo)通，電路通過1kΩ電阻與三極管串聯(lián)后和10kΩ電阻并聯(lián)，經(jīng)過傳感器搭鐵，此時(shí)阻值與1kΩ相近，這樣即使溫度升高也能保證測量的準(zhǔn)確性。
1.3、電流監(jiān)測
汽車動力電池的充電、放電功率都是非常大的，在BMS工作時(shí)，總電流是需要特別關(guān)注的參數(shù)之一。當(dāng)發(fā)生短路、過流故障時(shí)，電流的檢測就是保護(hù)電池的第一道屏障。電流的監(jiān)測相比電壓跟溫度不同。在數(shù)量上，整個(gè)動力電池系統(tǒng)中只有一個(gè)總電流的信息需要監(jiān)測；l在頻率上，電流采樣的頻率會非常高以滿足SOC（State Of Charge,電池荷電狀態(tài)）評估的要求。
GB/T 38661-2020中對電流精度監(jiān)測的要求如下：
圖7 GB/T 38661-2020對電流監(jiān)測的要求
目前應(yīng)用在BMS中的電流采集方案有兩種：一種是采用分流器，根據(jù)最基本的電壓電流關(guān)系來進(jìn)行測量；另一種是基于電流傳感器的電流監(jiān)測，其中分為霍爾傳感器和磁通門傳感器。
1.3.1、分流器方案
分流器方案是在電池工作回路中串聯(lián)一個(gè)分流電阻，然后通過測量兩端的壓降再根據(jù)歐姆定律計(jì)算回路電流，其原理圖如下：
圖8 分流器測電流原理圖
其中的分流電阻是一個(gè)阻值非常小的電阻，市面上主流為0.1mΩ、0.15mΩ，而電動汽車的工作電流一般為500A，測量的壓降往往在50mV以下，所以需搭配放大電路使用。
1.3.2、傳感器方案
傳感器方案分為霍爾傳感器和磁通門傳感器，均為間接式測量方案。下圖是霍爾電流傳感器的原理圖：
圖9 霍爾電流傳感器原理圖
霍爾電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)原邊線路通過電流時(shí)，電流會在磁芯上產(chǎn)生磁通量，在磁芯間隙中，霍爾元件的載流子受到洛侖茲力的影響，使運(yùn)動的軌跡發(fā)生偏移，并在材料的兩端產(chǎn)生電荷累積，形成垂直于電流方向的電場。也就是說當(dāng)有原邊電流通過時(shí)，霍爾元件會產(chǎn)生一個(gè)mV級的感應(yīng)電壓，再經(jīng)過運(yùn)算放大器等電子電路，轉(zhuǎn)化成副邊電流，從而計(jì)算出原邊電流。
磁通門電流傳感器是利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量電流的一種方式，工作原理如下圖：
圖10 磁通門電流傳感器原理圖
磁通門電流傳感器工作時(shí)，其中的芯片會發(fā)出一個(gè)固定的高頻率交流方波，使磁芯處在一個(gè)往復(fù)飽和的狀態(tài)；當(dāng)被測電流為0時(shí)，則檢測線圈輸出的感應(yīng)電動勢只含有激勵波形的奇次諧波，波形正負(fù)上下對稱(如圖 10 右上方波形)；當(dāng)由被測電流不為0時(shí)，被測電流會在磁芯中產(chǎn)生一個(gè)磁場，這個(gè)磁場會與激勵信號的磁場疊加或抵消，疊加時(shí)使磁芯提前飽和，抵消時(shí)使磁芯延遲飽和，導(dǎo)致副邊感應(yīng)電流發(fā)生偏置（如圖10右下方波形），此振幅差與被測電流成比例關(guān)系，因此通過測量此振幅差來計(jì)算被測電流。
以上就是目前應(yīng)用較多的電流檢測方案，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)：
分流器擁有精度高、溫漂小、價(jià)格低及輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但是不足的地方首先是會產(chǎn)生熱損耗。假設(shè)電流為500A，會產(chǎn)生約25W的發(fā)熱功率，這對PCBA來說是較大的發(fā)熱，需要良好的散熱設(shè)計(jì)。隨著電動汽車?yán)锍倘萘刻嵘?，汽車的電流上限會提高，其發(fā)熱損耗也會加大；其次是隔離問題，由于分流器是串聯(lián)進(jìn)主電路的，因此需要增加隔離器件對低壓供電和CAN信號傳輸電路進(jìn)行進(jìn)行隔離保護(hù)，導(dǎo)致成本上升。
霍爾電流傳感器擁有價(jià)格低、響應(yīng)快、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是由于實(shí)際使用上輸入輸出曲線并非完全的線性關(guān)系，因此在精度方面會比另外兩種差。特別是在小電流測量時(shí)，誤差凸顯比較明顯。
磁通門電路傳感器上限電流可以做到很大，并且受溫度影響小、發(fā)熱小、精度高，可以為BMS提供電流保護(hù)及SOC計(jì)算支持，也是目前市場上最受歡迎的方式。缺點(diǎn)是會受外部磁場的干擾，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮磁干擾。
各個(gè)方法的特點(diǎn)總結(jié)入下表：
2、電池狀態(tài)分析
SOC（State Of Chanrge，電池荷電狀態(tài)）和SOH（State Of Health，電池健康狀態(tài)）是電池系統(tǒng)中的2個(gè)重要參數(shù)，為電池安全保護(hù)、充放電控制、熱管理等功能提供參考，因此精確及時(shí)的獲取SOC/SOH信息對于提高電池壽命和保障電池安全至關(guān)重要。然而，作為電池內(nèi)部參數(shù)，SOC特別是SOH無法被直接且準(zhǔn)確的測量，只能通過處理電池的電氣特性，對SOC/SOH進(jìn)行估計(jì)。
2.1、SOC的估計(jì)
SOC是反映電池當(dāng)前可用容量占最大可用容量百分比的一個(gè)參數(shù)，計(jì)算公式為：
SOC就是我們常說的剩余電量，它的估算方法一般有直接法跟間接法，具體如下圖所示：
圖12 電池SOC估算方法
2.1.1 安時(shí)積分法
安時(shí)積分法是通過計(jì)算電池在充放電時(shí)測量電流對時(shí)間的積分來估計(jì)SOC的，計(jì)算公式如下：
式中：t0為初始時(shí)刻；tk=t0+k* Dt, Dt為采樣間隔；SOCk和SOC0分別為tk和t0時(shí)刻的SOC值；h為庫倫效率；Ik-1為k-1時(shí)刻的電流。
舉個(gè)例子， 1組容量為100Ah的電池能夠以100A電流放電1個(gè)小時(shí)。假如以50A電流放電1個(gè)小時(shí)，則SOC就為50%，那再以50A電流放電半個(gè)小時(shí)，則SOC就為25%。也就是通過能量守恒計(jì)算SOC，所以電流的采樣精度越高、采樣時(shí)間越快，那SOC的估算就越準(zhǔn)確。
但是從計(jì)算公式中不難看出，其中誤差點(diǎn)也很明顯：
1、SOC初始值，由于電池的啟停是隨機(jī)的，其起始和終止的狀態(tài)無法確定，并且隨著電池老化或者環(huán)境變化，會導(dǎo)致電池最大可用容量發(fā)生變化，因此很難獲得準(zhǔn)確的SOC初始值；
2、由于電流在運(yùn)行中不是恒定的，采集過程中的誤差會由于積分計(jì)算不斷累積，導(dǎo)致SOC的誤差逐漸增大，因此需做類似滿充的矯正措施；
2.1.2、開路電壓法
開路電壓法是一種查表法，根據(jù)測量到的電壓，在SOC-OCV關(guān)系表中找到對應(yīng)的SOC，部分SOC-OCV關(guān)系表如下圖：
圖13 SOC-OCV關(guān)系表
該方法在實(shí)際應(yīng)用中主要會受到以下限制：
1、不同電池的SOC-OCV關(guān)系是不同的，需找到對應(yīng)的關(guān)系圖才能找出對應(yīng)SOC；
2、此方法需要在電池處于平衡狀態(tài)時(shí)精度才高，要達(dá)到令人滿意的平衡狀態(tài)，電池需進(jìn)行長時(shí)間的靜置；
3、有些類型的SOC-OCV關(guān)系在中部曲線非常平緩，導(dǎo)致很小的OCV誤差也能導(dǎo)致很大的SOC誤差。
4、電池老化及工作環(huán)境也會對SOC-OCV曲線有影響。
目前SOC主流的估計(jì)方法是安時(shí)積分法跟開路電壓法聯(lián)合使用，再結(jié)合濾波、模型、溫度等矯正方式進(jìn)行測算。
2.1.3、基于模型的方法
基于模型的方法首先建立電池?cái)?shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入信號計(jì)算模型輸出值，然后與實(shí)際值進(jìn)行比較，不停的更新模型狀態(tài)跟系統(tǒng)狀態(tài)，給出SOC估計(jì)結(jié)果。不同的電池、不同的電路需要建立的模型不一樣，導(dǎo)致此方法計(jì)算量較大。此方法目前也是主要的發(fā)展方向。
2.1.4、機(jī)器學(xué)習(xí)方法
機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法擬合測量信號（電壓、電流、表面溫度等）與SOC的關(guān)系，根據(jù)測量信號直接對電池SOC進(jìn)行估算。
此方法需要大量的數(shù)據(jù)及計(jì)算，對硬件算力要求較高。出于成本的考慮，目前該方法的應(yīng)用面較窄。
2.2、SOH的估算方法
SOH是用來評估電池老化或衰退程度的一個(gè)重要指標(biāo)，該參數(shù)以百分比的形式表示健康狀態(tài)，新電池的SOH為100%。其中電池容量和內(nèi)部阻抗是計(jì)算電池SOH的常用指標(biāo)，一般電池SOH低于80%就應(yīng)該更換了。
3、電池能量控制
電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，在現(xiàn)代社會生活中的各個(gè)方面發(fā)揮有很大作用，其中核心是能量的存儲與轉(zhuǎn)化，也就是電池的充放電過程。
3.1、電池的充電原理
以單節(jié)鋰電池為例，電池的充電過程可以分為四個(gè)階段：恒流預(yù)充、大電流充電、恒壓充電以及充電終止。
恒流預(yù)充：用于電池完全放電后恢復(fù)性充電，避免大電流充電對電池壽命產(chǎn)生影響。
大電流充電：當(dāng)電池電壓上升到恒流充電閾值時(shí)，即能提高充電電流，進(jìn)入快速充電階段，電壓會隨著充電進(jìn)行快速升高，直至電壓達(dá)到額定電壓。
恒壓充電：當(dāng)電池電壓上升到額定電壓時(shí)，采取恒壓充電，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電時(shí)間慢慢減少。
充電終止：當(dāng)電流強(qiáng)度減少到0.01C時(shí)，認(rèn)為充電可以終止。
電池組的充電過程與其類似，區(qū)別是電動車電池組是由電池串聯(lián)及并聯(lián)組成的，需要采取均衡充電方法，在各單體電池上加上并聯(lián)均衡電路，起分流作用。當(dāng)某個(gè)電池先充滿時(shí)，均衡裝置能阻止電池過充，將多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，并繼續(xù)對未充滿的電池充電。
3.2、電池均衡管理
電動車電池組是由多個(gè)電池組成的，由于生產(chǎn)過程或者使用損耗等問題，各電芯的電量多少都會存在差異，其影響會導(dǎo)致相對較快充滿的電池過充，由于保護(hù)電路的純在，未充滿的電池將會停止充電，造成容量丟失，而放電時(shí)為了避免電池過放，保護(hù)電路會在出現(xiàn)容量低于設(shè)置值的電池時(shí)切斷供電，也會造成容量丟失，也就是“木桶原理”，因此，為了保持電池的一致性，則需要對電池組做均衡管理。
其中均衡分為被動均衡跟主動均衡：
被動均衡一般采用電阻放電，使較高電量單體放電至較低電量的單體一致。這種方法電路簡單可靠，也是目前市場應(yīng)用較多的方法?？紤]到目前電動汽車的電池一致性越做越好，電池在長時(shí)間使用后的散差其實(shí)很小，因此被動均衡的性價(jià)比較高；
主動均衡則是利用電容、電感或者DC-DC實(shí)現(xiàn)均衡。其原理是將高電量單體的能量放到電容等儲能元件進(jìn)行儲存，再控制儲能元件連接低電量單體進(jìn)行充電。主動均衡具備電能利用率高、均衡速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是存在均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高以及可靠性低等問題，目前有著較高的技術(shù)壁壘。
4、電池安全保護(hù)
電池保護(hù)是BMS的核心功能，保障電池在常態(tài)及工作狀態(tài)下都能安全運(yùn)行，通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成。保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時(shí)控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。
4.1、過充過放保護(hù)
電池在充電前期為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到額定電壓，之后轉(zhuǎn)為恒壓充電，使充電電流逐漸降低，當(dāng)電池的充電電路失去控制，會使電池壓超過額定電壓后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)會導(dǎo)致電池電壓繼續(xù)上升，電池的化學(xué)副反應(yīng)將會加劇，造成電池?fù)p壞等安全問題；當(dāng)電池加入過充保護(hù)功能時(shí)，實(shí)時(shí)電壓超過額定電壓時(shí)，IC首先會發(fā)出告警，提醒切斷電流，如上升到一定電壓，IC將會發(fā)出信號，強(qiáng)制斷開充電電路，并且控制電池對外進(jìn)行放電。
放電保護(hù)原理也類似，當(dāng)電池電壓降低至告警值，保護(hù)電路會發(fā)出信號提醒電量過低，當(dāng)放電至限制電壓時(shí)，保護(hù)電路將發(fā)出信號使電路切斷，保證電池電壓不再降低，由于保護(hù)電路也是由電池進(jìn)行供電的，因此保護(hù)電路需設(shè)計(jì)低功耗模式，供電池電量過低時(shí)使用。
4.2、過流保護(hù)
由于電池的化學(xué)特性，電池放電電流強(qiáng)度最大不能超過2C，當(dāng)超過此電流值時(shí)將會導(dǎo)致電池永久性損壞或者出現(xiàn)安全問題。下圖是BMS電流采集原理圖。為了保證信號的精度，傳感器的輸出信號一般都為電壓信號，控制IC會對傳感器信號進(jìn)行處理。當(dāng)電路中的電流達(dá)到設(shè)置值時(shí)，IC會輸出一個(gè)開關(guān)信號，切斷輸出回路，起到保護(hù)電池的作用。
圖14 磁通門電流傳感器在BMS保護(hù)的應(yīng)用
4.3、溫度保護(hù)
電池組熱管理是BMS的重要功能之一，其作用是使電池組能保持在合適的溫度下工作，充分發(fā)揮電池組最佳工作狀態(tài)。調(diào)整策略包括冷卻、加熱及溫度均衡等。冷卻和加熱是針對外部環(huán)境溫度對電池可能造成的影響來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，溫度均衡則是減少電池組內(nèi)部的溫度差異，防止部分電池過熱造成壽命快速衰減。
汽車動力電池的冷卻模式主要分為風(fēng)冷、液冷和直冷三大類。風(fēng)冷是利用自然風(fēng)或者車內(nèi)制冷風(fēng)流經(jīng)電池表面達(dá)到換熱冷卻的效果；液冷是利用專用的冷卻液管路來加熱或者冷卻動力電池，目前這種方式是主流的方式，能同時(shí)起到冷卻跟加熱的作用；直冷系統(tǒng)則是使用制冷劑對動力電池進(jìn)行冷卻。
5、電池信息管理
BMS對電池參數(shù)、告警，都需要傳輸給對應(yīng)的處理器，進(jìn)行顯示或者儲存。使用在電動汽車上的傳輸方式主要為CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)），主要用于汽車上各種傳感器數(shù)據(jù)的傳遞。
Magtron采用磁通門原理打造高性價(jià)比、高精度、低零飄、高采集頻率的電流傳感器CSM系列，可用于電動汽車BMS系統(tǒng)。由公司自主研發(fā)的SoC芯片也可以為客戶提供專有的技術(shù)解決方案，滿足各項(xiàng)車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，基于市場實(shí)時(shí)的最新需求，不斷升級完善，致力于解決工業(yè)、電動汽車、儲能行業(yè)等各項(xiàng)電流、漏電流采集問題，為各行業(yè)電力設(shè)備保駕護(hù)航。
參考文獻(xiàn)：
[1].李沂洹.《鋰離子電池荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)估計(jì)方法》
[2].朱永康.《BMS中傳感器的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展趨勢》
[3].倪紅軍.《電池管理系統(tǒng)電壓采樣電路的設(shè)計(jì)與研究》
[4].GB/T 38661-2020.《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》
[5].GB/T27930.《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議》
[6].李林琳.《鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)》
[7].董艷艷.《純電動汽車動力電池及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)》
