新能源汽车BMS核心技术解析

　　电池管理系统中的核心技术为电池 SOC ，它是衡量电池的重要性能指标。通过动力电池 SOC 进行准确的估计，可以有利于提高电池组的安全性 / 整车性能 / 防止 过充过放 / 延长使用寿命。
　　电池管理系统的概念
　　电池管理是基于微计算机技术、检测技术和自动控制技术对电池组运行状态的动态监控、精确测量、安全保护并使电池工作在最佳装态，用以提高电池组的可靠性，达到延长使用寿命，降低运行成本的目的。
　　关于电池管理系统实物模样，即为一块布满电子元气件的PCB板。
　　关于电池管理系统在汽车中的结构原理图
　　电池管理系统的概念
　　电池管理系统作为电动汽车能量的控制核心，有关IEC和QC / T 897-2011对BMS都制定相关标准功能要求。IEC 制定BMS功能标准包含：电池数据采集、SOC 估算、电池循环寿命、告警保护。QC / T 897-2011对 BMS 功能标准包含：电池单体电压采集、电池温度采集、剩余电量估算、安全预警和控制、信息处理、信息交互。综合以上标准和实际汽车要求，电动汽车BMS 必须具备的基本功能：均衡管理功能、热管理功能、CMU通讯功能、SOC 估算、寿命估算、电池信息监控、充电和放电过程控制、数据显示和备份。
　　1）电池信息采集：由采集板上传感器采集电池组的电流的充放电情况 、工作电压数据、环境温度信息，通过CAN线反馈到主控芯片；
　　2）剩余电量估算SOC：将采集到的电池数据提供给主控芯片，它根据算法来估算动力电池组剩余电量SOC，提供续驶里程参考；
　　3）电池安全保护：安全管理负责监控电池在工作过程中工作异常情况，在异常下系统应能立刻做出处理来保证电池组的正常运行，预防发生燃烧爆炸情况；
　　4）电气控制管理：电动汽车在充放电过程中，动力电池存在过充、过放、电池间电量不均衡的可能性，对电池的使用寿命和工作效率产生影响。如果发生则电池管理系统需迅速做出反应，并有效执行预定措施。比如通过切断充放电回路保证电池组的正常使用和安全使用；
　　5）数据通信显示：首先收集到的电池信息被提交至 BMS 主控芯片，处理其电量估算与均衡控制，再将结果通过 CAN 总线发送给其他设备使用。
　　电池管理系统主程序流程图
　　电池管理系统的结构类型
　　从结构上，电池管理系统分为三种：集中型、分散型、集成型。
　　1）分散型：电池管理由多个管理模块组成，它们分别负责采集电池组的数据，并监控电池状态和处理电池数据，最终将计算结果及控制命令通过CAN总线发送给整车控制器，不设立主控板，有多少个电池单元就有多少管理模块。能实现数据的就近处理、并行计算，速度快、精度高，但是硬件需求大，成本高，各个模块缺少统一管理。
　　2）集中型：电池数据的采集是通过 BMS 主控芯片完成，同时主控芯片还要进行数据的分析处理、发出控制命令，程序多、任务重，采集精度和数量均受到限制，且扩展性较差。
　　3）集成型：集合了上述两种类型的特点，系统由主控模块和采集模块组成，采集模块专门负责数据的采集和发送，由主模块完成数据的处理和指令的生成。这样一来，系统分工明确，集散控制，方便灵活，具有很好的可行性与可靠性。
　　电池荷电状态 SOC
　　电池管理系统中的电池 SOC 至关重要，它是衡量电池的重要性能指标。通过动力电池 SOC 进行准确的估计，可以有利于提高电池组的安全性 / 整车性能 / 防止过充过放 / 延长使用寿命。电池 SOC 估算策略
　　目前常用的纯电动汽车动力锂离子电池 SOC 常用卡尔曼滤波法对其电量估算。
　　卡尔曼滤波法
　　卡尔曼滤波算法的基本思想是分别建立有效信号与高斯白噪声的状态空间模型，利用现时刻的观测值和前一时刻的估计值，来更新对所需状态变量的估计。卡尔曼滤波法估算电池荷电状态 SOC 时，将 SOC 参数看做是电池内部的状态变量，基于递推算法实现其最小均方差值的估算。该方法在理论上对于 SOC 初始值存在较好的修正能力，且能保持较高的精确度，但不足之处在于过于依赖电池模型的准确性，此外卡尔曼滤波算法计算量较大，对处理器的性能有一定要求
　　电池荷电状态 SOC
　　锂电池的实际容量会受到环境温度、放电电流（放电倍率）、自放电及电池老化等因素的影响，在估算动力电池的 SOC 时，这些因素必须考虑到，才能得到更为精确的估算结果。
　　1）温度：温度对电池性能的影响非常大。当温度较高时正负电极材料活性高，电解液电迁移率很大，其有利于化学反应的发生，电化学反应速率快，使电池能释放出更多的电量，当然温度过高时锂电池易起火或是爆炸，会造成安全问题；温度低时电化学反应相对放慢，电池释放的电量减少。SOC 的估算精确度因会受到温度影响，则要求在计算中进行修正。
　　2）充放电电流：电池放电电流的大小会影响电池的实际放电容量，经过验证，在其他影响因素相同的情况下，电池以不同的电流放电，但放出的电量会不同。放电电流小的电池可放出更多电量。那么在电池内的化学反应时会有某些生成物产生，它们会分布电池内部，但当电池电流较大时，电极周围的大量生成物由于不能及时扩散出去，则会积聚在电极上，它们会阻碍锂离子的移动和正常的化学反应导致电池输出的实际电量减少
　　3）自放电：自放电现象时电池在无负载的情况下的电量会慢慢消失，每个电池都会有不同程度的自放电。经过长时间存放的电池内部活性物质会慢慢消耗。如果电池存放环境温度越高，则电池的自放电率就越大。锂离子电池应该在温度较低的环境下存放。自放电也会造成SOC 估计的偏差，需要加以修正。
　　4）电池自身的老化：当电池进行多次循环使用后的材料活性降低，那么电池发生老化导致电池性能的改变。电池老化的快慢由电池的充放电过程和使用方式决定。当电池经常以不当的方式充放电时或是经常发生过充或过放时电池的老化会变快。电池的老化会导致其能够存储和放出的电量下降，因而在进行 SOC 估算时，必须用电池的循环工作次数修正电池容量衰减的影响。
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