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电池管理系统（BMS）概述

目录

电芯特性

锂离子电池工作原理

电压滞回特性

容量特性

荷电状态

开路电压

电阻特性

老化特性

电池管理系统的用途

BMS的硬件拓扑

BMS的电气架构

BMS的功能模块

信号采集

SOC估计

SOP估计

SOH估计

绝缘检测

充电管理

均衡管理

国标数据上传

故障诊断

云端电池管理

推荐资料



电池系统组成

电池包一般是由电池模组、热管理系统、电池管理系统（BMS）、电气系统及结构件组成，其中电池模组是由多个电芯组成。



电池系统结构


模组内部结构
电池包的成组方式有：先串后并和先并后串。

电池串联: 电压相加，容量不变，内阻增大。

电池并联: 电压不变，容量相加，内阻减小，可供电时间延长。

成组方式示意图

先串联后并联	先并联后串联
优势	① BMS可以监控每个电芯的电压 ② 成组时高压连接简单	① BMS电压采样通道少，成本低 ② 减小了电芯容量差异性对成组的影响
劣势	① BMS电压采样通道多，成本高 ② 电芯不一致，各支路电流不均衡，导致SOC计算不准、电池衰老不同步	① 无法监控到每个电芯的电压 ② 成组时连接复杂

电芯特性

锂离子电池工作原理

锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和极耳等组成。

当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的碳材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。


电压滞回特性

下图是脉冲放电时，充放电设备采集的电芯充放电电流和电压曲线。当电流由-50A变为0A时，电芯电压有个缓慢上升的过程。同样的，当电流由50A跳变至0A时，电芯电压缓慢下降。这种特性，称为电芯电压滞回特性。



电芯脉冲试验电流电压变化图容量特性

放电倍率相同时，电池容量随着温度降低而降低。

温度相同时，电池容量随着倍率增大而减小。

荷电状态

SOC是指电池的荷电状态（state of charge），也叫作剩余电量，一般用一个百分比来表示。

SOC=Q_remain/Q_max ×100%

Q_remain表示电池的剩余电量，单位Ah

Q_max表示电池的最大可用容量，单位Ah

SOC也是电池充放电最大功率、内阻和老化等状态估计的基础指标。

从前面的介绍可知，电池所处的温度和放电倍率不同，电池的最大可用容量和剩余电量也不相同，按照上述定义，计算的SOC值也不相同。

为了电池状态估计参考的基础指标一致，在实际工程应用中，通常将SOC定义在25℃@1/3C，并以此为基准标定电芯的SOC-OCV曲线、功率脉谱和内阻脉谱等参数表。

开路电压

开路电压：电池不带负载，且滞回特性消除之后的电池端电压。一般电池断开负载之后需要静止1h以上，采集到的端电压称为开路电压。

开路电压与电池的 SOC 具有一 一对应的关系。

SOC-OCV曲线电阻特性

下图展示了电池内阻随温度和电池SOC的变化关系。温度越低，电池内阻越大；SOC越高，电池内阻越小。



电阻随温度变化图老化特性

随着循环次数的增加，电池的容量逐渐下降。



电芯循环老化电池管理系统的用途

电池的状态不易观测、不断衰老、一致性差异等因素，在成组之后，为了保证系统的安全，需要有专门的控制器BMS来解决这些问题。


BMS的硬件拓扑

BMS的硬件拓扑架构分为集中式与分布式两种类型。

集中式

将所有电气部件集中在一块板子上。这种硬件架构优点是电路设计简单，成本低；缺点是单体采样的线束比较长采样压降不一，采样线束设计复杂，采样通道数有限，适用于较小的电池包。

分布式

分布式硬件架构包括主板和从板。这种硬件架构优点是采样线束距离均匀；缺点是成本较高，需要额外的芯片将各个模块的信息整个发送给BMS主板。



BMS拓扑结构BMS的电气架构

BMS的电气架构由高压部分和低压部分组成。

通过从控板采集单体电芯的温度、电压，并实现电池间的均衡，与电流传感器交互采集总线电流

采集高压值，诊断电池的继电器闭合与断开以及绝缘状况

控制继电器的闭合与断开

通过低压线束与整车其他部件交互

BMS电气架构BMS的功能模块

BMS是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。BMS实时采集、处理、存储电池模组运行过程中的重要信息，与外部设备如整车控制器交换信息，保障锂电池系统的安全可靠运行。


信号采集

根据GBT 38661-2020的要求，BMS的采样精度需满足如下需求

总压采样

通常，BMS采用分压电路测V1~V4相对于V0的电压。用于诊断保险丝和继电器的连通状态。



电池包高压连接示意图

电流采样

电流采样分为两种，一是霍尔传感器，二是分流器。

霍尔传感器

当原边电流流过导体时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，放大电路将该信号放大输出。



霍尔采样原理
分流器

分流器的原理是在母线回路中串联微欧级别的电阻，通过测量压降的形式，依据欧母定律计算电流的大小



分流器采样原理

电芯电压和温度采样

目前BMS对于电芯电压和温度采样一般采用成熟的AFE采样芯片完成。常用的采样芯片制造公司有：ADI、TI和NXP等。



几种常见的芯片
以ADI公司生产的ADBMS6815为例。一颗6815芯片有12个电芯电压采集通道和2个温度采集通道。一般电池包需采集96路电芯电压，因此，需要8颗6815芯片。每颗6815芯片之间通过SPI通讯，最后再将采集电压和温度采样值传递给BMS主板。



6815芯片采样拓扑
如下图所示，芯片中包含两路模数转换器（ ADC ），电芯电压采集时，芯片分别控制两路多路复用开关工作，依次测量C1到C0、C2到C1、…、C12到C11的电压值，从而获得各个电芯的电压。



电芯电压采样原理图
电池包内温度传感器是负温度系数的热敏电阻（NTC），温度越高热敏电阻的阻值越小。通常，BMS采用分压电路采集热敏电阻的分压确定热敏电阻的阻值，从而得到温度值。



温度采样原理
SOC估计

SOC估计方法包括：

传统方法：安时积分法、开路电压法

基于电池模型的方法：卡尔曼滤波法、粒子滤波算法

神经网络算法：神经网络算法

安时积分法

算法原理：从SOC定义出发，计算变化的电量估算SOC。



优势

简单可靠

适用于各种化学体系的电池

劣势

依赖初始SOC

依赖电流传感器精度

电流采样导致的SOC误差分析
开路电压法

算法原理

根据电池的开路电压与电池的SOC存在一 一对应的关系的特点，在电池包静止1h获取电池的OCV之后，根据SOC-OCV曲线，查表获取电池SOC。

算法优势

计算方法简单且准确

算法劣势

依赖电压采样精度

OCV-SOC曲线斜率较小时不适用。

无法实时获取电池的OCV，无法满足实时计算电池SOC的需求。

SOC-OCV曲线
卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波算法原理

假设线性系统可用如下状态空间方程表示：



系统中状态向量不可用测量设备直接测量，比如：电芯的SOC，观测向量可以测量，比如：电芯电压和温度，系统控制向量是引起系统状态发生改变的自变量，比如：电流。卡尔曼滤波算法是根据观测向量估计系统的状态向量。

卡尔曼滤波算法迭代过程分为两部分：时间更新和量测更新。具体的推导过程可以参考：DanSimon. 最优状态估计:卡尔曼,H∞及非线性滤波[M]. 国防工业出版社, 2013.







卡尔曼滤波算法迭代逻辑图

电池等效电路模型

根据等效电路模型可以得出如下等式：



离散化之后可以得到：





电池等效电路模型

卡尔曼滤波算法不足之处

需要高精度的电池模型作为支撑；

算法复杂，计算量大，算法实现难度大；

硬件计算资源需求大；

目前量产的方案

用得比较多得：安时积分+满充修正+OCV修正+卡尔曼滤波

安时积分：充放电过程中，实时计算SOC

满充修正：电池按照规定的方式完成满充时，SOC修正至100%

OCV修正：放电之后，静置一段时间，如果OCV-SOC曲线斜率足够大，则可根据OCV修正SOC。

卡尔曼滤波：充放电过程中，实时修正SOC的累积误差，修正时机需根据电池模型精度确定。

SOP估计

SOP算法的目标

根据电池当前及之前一段时间内的充放电状态，估算电池的最大充放电能力，包括：最大允许的充电功率和最大允许的放电功率。

SOP算法原理

根据电池的SOC和温度，查表确定最大持续充放电功率和最大瞬时充放电功率。

电芯的去极化速度，决定当前最大功率使用的频率。当SEI膜表面的Li 离子堆积速度大于负极的吸收速度时候，就会发生电压下降，最大功率无法维持。

因此，SOP的计算难点是峰值功率与持续功率如何过度？

SOP算法难点的实现方案

当功率大于对应的持续功率时候，对大于持续功率的部分进行能量积分acc_E。

当acc_E大于一定的阈值的时候，峰值功率无法维持，需要按照一定的斜率降低对应的限值功率。

当前的功率小于对应的恒定功率的时候，继续进行积分，当两者的能量逐渐抵消时候，限值功率按照一定的斜率开始恢复至峰值功率。

下图，当C的面积大于一定阈值的时候，限值功率就需要往持续功率方向限制，同时当D的面积与C的面积大致相当时候，限值功率就需要再次恢复至峰值功率。

SOP限制示意图
能量阈值选取的参考因素

电池的极化特性

电池的热量累积

SOH估计

SOH计算的原理

两点法计算SOH

根据OCV-SOC曲线确定两个准确的SOC值，并安时累积计算这两个SOC之间的累积充入或放出电量，然后计算出电池的容量，从而得到SOH。



                                      两点法计算SOH的流程图

日历寿命

根据电池的存储时间，线性插值查日历寿命表，得到电池的日历寿命SOH

循环寿命

根据电池的累积充放电量，计算等效循环次数，线性插值查循环寿命表，得到电池的循环寿命SOH

算法的优劣

需要大量的电芯老化测试数据。测试周期长，成本高。

两点法计算SOC，对电流传感器的精度和OCV测量精度要求很高。下表通过假设SOC误差和电流传感器的偏差，推演了两点法计算电池容量的偏差。计算结果表明， ?SOC 偏差2%，电流传感器偏差0.125A，累积20H，在?SOC>60%时，按照该方法计算出的电池容量偏差才会小于5%。

两点法计算容量的误差分析绝缘检测

绝缘检测的目的：检测电池包的正极对壳体和负极对壳体的绝缘阻值，防止电池包漏电导致安全事故发生。

目前用得最多的是平衡电桥法，因为是GB 18384-2015推荐的方法，也称为国标法。

原理

在正负高压母线与车身地之间并联标准电阻，通过切换开关，改变正负母线对车身地的电压分压比，计算电池包的绝缘电阻。

平衡电桥法原理图
工作模式







算法存在的问题

整车由于有Y电容（下图中C1和C2）存在，每次闭合开关时，由于需要给Y电容充电，不能快速测准电压，从而导致计算的绝缘电阻有偏差，甚至无法计算出绝缘电阻。



绝缘检测原理图
解决方案：通过实车标定，确定闭合开关之后，等待一定时间之后再检测电压，这样计算出的绝缘电阻相对来说会准确。

充电管理

充电方式分为：快充和慢充

AC交流充电（慢充）：采用交流车载充电机对电池系统进行充电

DC直流充电（快充）：采用外部直流充电桩对电池系统进行充电

慢充

慢充过程分为三个阶段：

确认连接

能量传输

结束停机

慢充控制引导电路


慢充控制时序
快充

快充过程分为三个阶段：

初始化和数据交互阶段。充电连接确认、电子锁锁止、握手、快充设备自检和参数匹配。

能量传输阶段。电能转移和充电双方信息交互（充电状态、充电需求变化）。

关闭阶段。

快充控制引导电路


快充控制时序
快充过程中，BMS与快充桩之间的通讯，遵循GB/T 27930-2015的规范。



快充实现的阶段及相应报文


报文发送的相关关系
均衡管理

电池组内均衡的方式分为两种：被动均衡和主动均衡。



在充电末期，闭合高电量电池的并联电阻，维持高电量电池恒压状态，其余电池继续恒流充电，直至模块内所有单体电池达到同一电压。
国标数据上传

数据上传路径



数据上传路径
上传内容



BMS需上传的信息故障诊断

BMS的诊断服务需按照ISO 14229-1:2013 Unified diagnostic services (UDS) 开发。UDS诊断包括6大类，26种服务，每种服务都有自己独立的ID，即SID（Service Identifier）。



诊断服务列表
根据GB/T 38661的要求，BMS需诊断的基本项目6项和可扩展项目11项，一共17个项故障。除了这些基本要求之外，BMS还需要根据整车功能设计和电池系统的具体需求设置更多故障。





云端电池管理

故障检测

使用特征提取技术，提取原始数据的特征。

采取利用人工智能技术，通过SVM、神经网络、贝叶斯分类器等机器学习的方法识别市场运行的潜在风险电池包。

神经网络算法识别电池故障特征和电池失效模式的映射关系，实现电池故障识别和预警。

电池寿命评估与预测



寿命评估与预测

数据清洗与特征数据提取。

使用深度学习算法，自动提取电池衰老特征。

机器学习的方法拟合老化特征与老化程度的关系。

基于老化特征识别电池的衰减模式，根据不同衰老模式和老化程度预测电池的衰老趋势。

推荐资料

1.北京理工大学先进储能科学与应用课题组网站：先进储能科学与应用课题组网站

2.动力电池管理系统核心算法+机械工业出版社

3.GB/T 38661-2020+电动汽车用电池管理系统技术条件

4.GB/T 27930-2015+电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议

5.GB/T 18487.1-2015+电动汽车传导充电系统+第1部分：通用要求

6.GB/T 32960.3-2016+电动汽车远程服务与管理系统技术规范+第3部分：通信协议及数据格式

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