车用电池管理系统综述

陈伟栋，杨兆华

（1.佛山科学技术学院 机电工程系，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院自动化系，广东佛山528000）

车用电池管理系统综述

陈伟栋1，杨兆华2*

（1.佛山科学技术学院 机电工程系，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院自动化系，广东佛山528000）

车用电池管理系统具有监测电池组状态、提高电池使用效率等功能，随着车用电池管理系统的发展，将会出现更多的功能。介绍车用电池管理系统的主要功能、基础结构与技术、国内外发展状况，指出了车用电池管理系统未来重点发展方向。

车用电池管理系统；荷电状态；估算；动态均衡

近年来，随着新能源汽车技术的快速发展，市面上出现了越来越多的新能源汽车。常见的新能源汽车包括EV（纯电动汽车）、HEV（混合动力汽车）、PHEV（可插电混合动力汽车）等。新能源汽车与传统汽车相比，最大的区别是全部或部分将电池作为动力来驱动汽车。在各种类型的电池中，锂离子电池由于其工作电压高、能量密度高、环保无污染、可充放电次数多等优点受到了广泛的使用。但是锂电池也有较大缺点，那就是对电压、电流以及温度等因素要求较高，电压过大、电流过大以及温度过高对锂离子电池损害都比较大，严重时锂离子电池还会爆炸，从而导致生命财产损失［1］。因此，对锂离子作为车用电池的管理就显得尤为重要。

车用电池管理系统（BMS）作为电动汽车的核心技术之一，已经越来越受到重视，许多新能源汽车相关企业将其视为研发的重点。本文介绍车用电池管理系统的目前的现状，在此基础上预测车用电池管理系统的发展方向，为相关行业提供参考。

1 BMS概述

BMS的作用是实现对电动汽车电池组的检测、控制、数字化管理以及提高电池组的使用效率，它是电动汽车系统的核心部分之一。

BMS主要功能包括：电池电压的检测、电池温度的检测、电池组工作电流的检测、绝缘电阻的检测、冷却系统的控制、电池组动态均衡、电池组的荷电状态（SOC）估测、电池组的健康状态（SOH）估测、电池故障分析和在线报警、与车载控制器通讯等。

BMS从之前的单纯检测电池电压、电流等参数到现在发展成了具有更多功能的系统。应用领域的复杂化使人们对BMS的要求向复杂化、精确化方向发展。

2 BMS基础结构与技术

2.1 电池组状态检测

电池组状态检测主要包括总电压、总电流检测，单体电池电压检测（防止过电压、欠电压），电流检测（防止过电流），温度检测，绝缘检测，内阻检测，碰撞检测等。

在电池组状态检测方面，越来越多的芯片制造厂商研制出了具有多种功能的芯片，DALLAS公司生产的DS2438芯片具有检测电压、电流、温度以及存储重要的电池参数等功能。该公司生产的温度检测芯片DS18B20具有单总线结构，使用非常方便。Linear公司推出的LTC6802最多可检测12节锂离子电池电压。

2.2 电池组优化控制

在电池组优化控制中，电池组动态均衡和电池组SOC估测是研究的重点和难点。

2.2.1 电池组动态均衡

电池组动态均衡管理的目的是减少电池组各单体电池之间电压、容量的差异，锂离子电池组工作时，其性能由该组电池中容量最低的单体电池决定。均衡控制根据能量是否能够回收利用分为被动均衡技术和主动均衡技术。

2.2.1.1 主动均衡技术

主动均衡技术也叫做能量非消耗型均衡技术，它是通过单片机检测单体电池两端的电压，经由开关管元件和储能元件，将电压过高的电池中的多余能量转移到电压偏低的电池中，使电池组中各节单体电池电压保持一致，从而达到提高电池使用效率的效果。这种均衡方式需要消耗一部分能量，并不能做到完全转换能量。由于主动均衡技术节能效果较好，能量利用率较高，是锂离子电池管理技术的重点发展方向。常见的主动均衡技术有电感式主动均衡、变压器式主动均衡、电容式主动均衡。

（1）电感式主动均衡。电感式主动均衡的原理是将电压较高的单体电池多余的能量存储在电感中，再通过MOS开关管将电感中存储的电能传递给电压较低的单体电池，最终实现能量的转移。

（2）变压器式主动均衡。变压器式主动均衡与电感式均衡原理相似，皆是通过储能元件和开关管实现单体电池之间的能量转移，从而达到单体电池之间的动态均衡。变压器式主动均衡相对于电感式主动均衡的优点是，其在均衡过程中可用更短的时间转移相同的能量［2］，如图1所示。

（3）电容式主动均衡。电容式主动均衡利用电容具有储能的功能，以电容作为储能元件，将单体电池中多余的电量存储到电容中，由开关管控制将电容所存储能量转移给电压较低的单体电池，实现能量的转移，如图2所示。

图1 变压器式均衡

2.2.1.2 被动均衡技术

被动均衡技术也叫做能量消耗型均衡技术。它的原理是将电池组中单体电池多余的能量通过电阻等消耗型元件以热量的形式消耗。这种均衡方式不能转换能量，在工作过程中发热比较严重。但是由于其电路简单，成本低，在一定范围内可使用。

常见的被动均衡技术有稳压管法与电阻消耗法等。

（1）稳压管法。稳压管法的工作原理是将稳压管击穿电压设置为电池充电截止电压，当单体电池两端电压达到截止电压时，稳压管反向击穿使电流只从稳压管流过，电路则会停止对单体电池充电，从而防止电池过冲。

（2）电阻消耗法。电阻消耗法的电路简单，可靠性高，而且可以根据充电电流大小来设定旁路电阻，可控性比稳压管法好，在实际产品中有使用，如图3所示。

2.2.2 电池组SOC检测

SOC（state of charge）即电池荷电状态。根据电池生产厂家的定义，在20℃时电池充电使电压达到终止电压（锂离子电池通常为4.2 V），且充电电流小于给定值（100 mA）的状态定义为满电荷状态，SOC值为1；电池放电使电压达到截止电压（锂离子电池通常为3.6 V）的状态定义为空电荷状态，SOC值为0。SOC的定义可表示为

其中，Qd为电池释放的电量，QI为电池的额定容量［3］。

SOC是电池组在使用过程中最重要的参数之一，相当于汽车的油量表。对SOC的准确估算能有效提高电池组的利用效率，并对延长电池组使用寿命、保证其安全性具有重要的意义。常见的SOC估算方法包括：开路电压法、安时积分法、扩展卡尔曼滤波法、神经网络法。

图3 电阻式均衡

（1）开路电压法。开路电压法（OCV法）指电池处于非充放电状态下，直接测量电池组两端开路电压并直接估算电池的SOC［4］。一般通过建立OCV-SOC（锂离子电池组出厂前测得）之间对应关系，来估算SOC值，此种方法只适用于静态估值，在汽车停车状态才能使用［5］。

（2）安时积分法。安时积分法（Ah法）是一种常见的电量累计方法，该方法是通过累计电池在充电或者放电时的电量来估计电池的SOC，并根据电池的温度、放电率对SOC进行补偿的一种方法［6］。定义可表示为

其中，SOC（t1）表示t1时刻的容量，SOC（t2）表示t2时刻的容量，Q1表示额定容量，i表示电池电流，η表示充放电效率。

Ah法是一种开环预测法，该方法实现简单，但它并没有从电池内部解决电量与电池状态的关系，只是从外部记录电池能量的充放，在使用过程中会因为电池状态变化而失去SOC估算精度。因此要提高此方法的精度，必须要考虑电池老化、温度等对电池容量的影响，由此建立相应的电量补偿关系。

（3）扩展卡尔曼滤波法。扩展卡尔曼滤波法（EKF法）是在卡尔曼滤波的基础上进行优化的一种方法［7］。普通卡尔曼滤波法能够从一系列含有噪音的信号中获取所需的信号，估算出线性时变系统状态，在不需要历史数据的情况下能够做出准确预测［8］，但不能估计出非线性时变系统的状态。

电动汽车电池组在工作时会遇到各种各样的路况，电池也会在充放电状态不断切换，呈现的是非线性时变系统［9］。对于非线性系统，可首先采用EKF法对系统近似线性化，然后用普通卡尔曼滤波器对这个系统进行状态估计。

（4）神经网络算法。神经网络算法是借鉴了人类大脑直观思维方式的一种算法。这种方法的优点是对模型的依赖程度较低，可以通过较多的数据，产生自适应的算法，具有较强的学习能力，能够对数据模型进行不断优化，并处理非线性时变系统。由于该算法对硬件要求较高，因此限制了其应用。

由于SOC受到前一刻充放电状态、温度、极化现象、电池老化程度等影响，该模型较为复杂。每种算法都有各自的局限性，在电池SOC算法实际应用中，通常会结合多种算法进行综合。比如在电动汽车静止状态下采用开路电压法，在运动状态下用Ah法和拓展卡尔曼滤波法一起对SOC进行估算，以达到精确估算SOC的目的。

2.3 信息处理

BMS主要在3个方面需要对信息进行处理，即与总控制系统进行信息交换、对电池组的信息采集与处理、与充电器进行信息交换。

（1）与总控制系统进行信息交换。主要通过CAN总线完成，将电池组的SOC、电压、电流、故障信号等状态发送到总控制系统，用户可通过中控界面实时看到电池组剩余电量等信息。

（2）对电池组的信息采集与处理。BMS对采集到的信息进行判断，对不正常的信号进行相应的控制，并将这些信息存储在芯片中，以便查看。

（3）与充电器进行信息交换。在充电过程中电池的电量不断增多，充电模式也会随着改变，为防止过压、过流、电池过热等情况发生，需要将BMS检测到的电池信息反馈到充电器中，形成一个闭环控制系统，从而提高充电效率和充电安全性。

4 发展现状与趋势

BMS最初只具有检测电池组电压、电流、温度等功能，主要目的是实现对电池组的监测。随着技术的发展，BMS具有更多其他功能，不仅能够监测电池组，而且能够根据电池组的信息对电池组进行控制和管理。好的BMS能显著提高电池组的使用效率和使用寿命，大大提高了BMS的实用性，现已成为电动汽车的核心技术之一。

国外对于此方面有较多研究。德国的B.Hauck公司设计的BATTMAN系统集成了不同动力电池管理系统，实现了对不同动力电池的管理；美国Acrovironment公司开发的Smart Guard系统，其特点是为每个电池单体都安装温度和电压传感器，记录各个电池的温度变化信息和电压变化数据。美国TESLA的三级电池管理系统以其高效率著称，共7 000多节18 650电池第1级用74节电池并联成一片，第2级6片电池串联成一组，第3级16组电池串联成一个电池包，实际上通过控制96个电池模块就能控制7 000多节电池［10］。

国内对BMS研究处于迅速发展阶段。北京理工大学的动力电池管理系统,可以实时测量总电流、总电压、温度和估算电池组的荷电状态,能对电池进行优化控制以及故障诊断。惠州亿能公司的EV05系列BMS系统具有SOC估算、SOH估算、高精度电流检测、电压检测、温度检测、能量估算等功能。比亚迪股份有限公司的BMS，其电池管理系统具有电池能量管理、电池散热管理、电池单体自动均衡功能。今后BMS研究主要向以下方向重点发展。

（1）BMS系统朝集成化、通用化方向发展。一般的BMS只能针对某个特定的类型电池模块进行控制，其他类型的电池模块不适用，研究通用型BMS能够避免重复开发，节约大量成本，具有重要的研究意义［11］。

（2）建立电池组的精确模型。在SOC和SOH估算中，由于电池参数会随着时间变化，如电池的老化、极化、内部放电、电池内阻等变化会对电池模型产生较大的输入误差。因此在电池组模型建立时需要考虑到多种变量，建立合适的算法。目前，基于这方面的研究较少，是BMS急需突破的一个方面。

（3）电池组均衡方式向非耗散均衡方向发展。非耗散型均衡能够将电池多余的能量转化到低电量电池中，绿色、环保、节能是今后均衡方式发展的趋势，但是目前生产成本过高，技术不够完善，需要寻找更好的解决方案。

（4）BMS与充电器智能通讯。随着快速充电技术的发展，充电变得越来越智能化。BMS不仅需要能承受高压、大电流所带来的冲击，而且要能实时将电池状态反馈到充电器，充电器采取相应的措施协调控制、优化充电来保障充电的快速性和安全性。

5 小结

目前关于BMS的研究还不够成熟，主要在电池组模型建立、SOC精确检测、电池组动态均衡等方面存在问题。相信随着对BMS研究的不断深入，BMS的技术水平会进一步提高，电动车的续航性能和安全性将得到有效的保障，电动车的普及将会很快实现。

［1］刘大同,周建宝,郭力萌,等.锂离子离子电池健康评估和寿命综述［J］.仪器仪表学报,2015,34（1）:1-16.

［2］唐国鹏,赵光金,吴文龙.动力电池均衡技术研究进展［J］.电源技术,2015,39（10）:2312-2315.

［3］唐晓新,吴定国,胡攀攀,等.电动汽车估算策略综述［J］.信息通信,2016（8）:265-266.

［4］姜久春,马泽宇,李雪,等.基于开路电压特性的动力电池健康状态诊断与估计［J］.北京交通大学学报,2016,40（4）: 92-98.

［5］陈曦,瑜厚宇.一种改进的安时——开路电压估算SOC的方法［J］.北京汽车,2016（4）:33-37.

［6］李国平.蓄电池管理系统BMS的设计与开发［D］.长沙:湖南师范大学,2014.

［7］朱政.磷酸铁锂离子电池荷电状态估计方法的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学.2013.

［8］赵泽昆,张喜林,张斌,等.基于改进无迹卡尔曼滤波法的大容量电池储能系统SOC预测［J］.电力建设,2016,36（9）: 50-55.

［9］张剑波,卢兰光,李哲.车用动力电池系统电池的关键技术和学科前沿［J］.汽车安全与节报,2012,3（2）:87-104.

［10］谢靖飞,谢泽川,郭一琪,等.特斯拉电源管理系统和快速充电技术的研究综述［J］.东莞理工大学学报,2016,23（3）: 83-88.

［11］符晓玲,商云龙,崔纳新.电动汽车电池管理系统研究现状及发展趋势［J］.电力电子技术,2011,45（12）:27-30.

【责任编辑：任小平 renxp90@163.com】

Summarization of vehicle battery management system

CHEN Wei-dong1,YANG Zhao-hua2*
（1.Department of Mechatronics Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China; 2.Department of Automation Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

Battery management system（BMS)has the function of monitoring the status of the battery pack, improve the battery efficiency and so on.With the development of BMS,it will have more functions in the future. The main context of this article describes the features infrastructure and technology of the BMS,the development state in domestic and foreign.Finallypoints out the direction ofBMSin the future.

BMS;SOC;estimate;dynamic equilibrium

U463.63

A

1008-0171（2017）03-0004-05

2016-11-10

陈伟栋（1995-），男，湖南衡阳人，佛山科学技术学院硕士研究生。

*通信作者：杨兆华（1964-）男，湖北荆门人，佛山科学技术学院教授。