电动汽车电池管理系统电池状态估算及均衡技术

百合提努尔　阿地里江·阿不力米提

摘 要：文章根据纯电动汽车和混合动力汽车的工作情况，归纳提出了电池管理系统（BMS）的核心功能和拓扑结构，对电池状态估算、电池监测系统和电池均衡系统等做了新的解析，简要的解释了电池常见故障原因以及预防措施等。

关键词：电池管理系统 电池状态 均衡

1 电动汽车电池管理系统

电池管理系统（Battery Management System，BMS）是电动汽车动力电池系统的重要组成部分，也是关键核心控制元件。它一方面检测收集并初步计算电池实时状态参数，并根据检测值与允许值的比较关系来控制供电回路的通断；另一方面，将采集的关键数据上报给整车控制器，并接收控制器的指令，与车上的其他系统协同工作。不同类型动力电池包的电芯（单体电池）对电池管理系统的要求是不尽相同的。

在任何一种电池管理系统（BMS）无论是简单还是复杂，均都有基本功能和实现这些功能的具体元器件。如果需求越多，需要向系统中添加的元器件就越多。如图1所示，电池管理系统（BMS）的核心功能。

2 电动汽车电池管理系统（BMS）拓扑结构

电池管理系统的部件则是以几种不同的方式布置结构。这些布置结构称为拓扑结构。电池管理系统的拓扑结构主要分为集中式、分布式和模块化等类型，如图2所示。

在集中式BMS拓扑结构中有一个带有控制单元的BMS印刷电路板，其通过多个通信电路管理电池包中的所有电芯。这种类型的结构体积大、不灵活，但成本低。

在分布式BMS拓扑结构中，每一个电芯都有BMS印刷電路板，控制单元通过单个通道连接到整个电池。常用的环形连接（菊花链式连接）是分布式拓扑结构的一种类型，并用于容错需求较小的系统。分布式BMS易于配置，但电子部件多、成本高。

在模块化BMS拓扑结构是集中式和分布式两种拓扑的组合。这种布置也称为分散、星形或主从控拓扑。有相互连接的几个控制单元（从控板），每个控制单元监测电池中的一组电芯。从控板连接到主控制单元或主控板，并其负责整个电池的完整性和安全性。模块化BMS拓扑在价格和设计复杂性之间保持平衡。

3 电动汽车电池管理系统（BMS）的具体功能

3.1 电池状态估算

电池状态估算包括荷电状态估算、健康状态估算和功能状态估算等。

①电池荷电状态（SOC）估算

电池荷电状态估算为确定电动汽车的续航里程和电池管理系统（BMS）的控制指标提供了方法。荷电状态则是在相同的具体条件下，使电池充满电完毕时，电池剩余电量与总电量的比值。荷电状态估算的主要用途是反应电动汽车的续航里程，充分发挥电池性能，也能保证电池的安全性，延长使用寿命.

②电池健康状态（SOH）估算

电池健康状态（SOH）则是电池的可用容量与电池寿命终了容量之间的差值。也就是当前电池状态与理想电池状态进行比较，如图3所示。由左侧图片中有严重泄露情况，中间图片中清晰看出电芯电量不均衡等问题。因此，准确掌握动力电池的SOH，可以为其自身的检测与诊断提供依据，有助于及时了解动力电池各电芯的健康状态，及时更换老化的电芯，提高动力电池的整体寿命。SOH状态要体现在容量、电量、内阻、循环次数和峰值功率等方面。

③ 电池功能状态（SOF）估算

预测电池的剩余容量。电池功能状态则是电池中剩余能量与电池中可储存的最大能量之比。SOF是由SOC、SOH、电池安全以及电池温度共同确定的。

3.2 电压电流监测系统

监测过程由简单的分压网络和BMS控制器完成。控制电池的基本电气参数是使保护电池免受过电压、欠电压策略的影响。控制系统还应存储实时数据以备后期使用。

3.3 电池电芯监测系统

电池管理系统（BMS）的电芯监测系统是测量分析和监测电池的参数。例如，每一个电芯的温度动态、电流和电压。传感器输出的信号与本模块控制器通信，然后将信号传输至中央模块控制器。

3.4 通信网络

可以实现与辅助系统网络通信并连接电动汽车各种网络系统。它还实现BMS的在线监控、程序下载和修改，以实现优化性能。网络通信包括RS485通信连接、RS232通信连接、内部集成电路（I2C）总线、通用串行总线、CAN总线、Flex Ray总线等。

3.5 电芯均衡

电芯均衡是一种生产电池的技术解决方法，可提高电池运行时间和电池寿命。被动电芯均衡方法也称为泄放电阻均衡，它使用开关进行电芯均衡。主动电芯均衡方法则是采用电感或电容，并在电池包中将转移电芯和电芯彼此之间的电量。电芯均衡类型如图4所示。

①主动电芯均衡

在主动电芯均衡技术中，电池包内的电芯能量从较高电压转移到较低电压。也就是说，具有较高电量的电芯能量转移到较低电量的电芯。因此，主动电芯均衡技术避免了耗散热能。主动电芯均衡技术采用电量穿梭或转换器来均衡最高电芯电压和最低电芯电压的能量级。电量穿梭法则是转移电量以达到相等的电芯电压。然而，转换能量经互感器和导体转移能量，主动电芯均衡如图5所示。

②被动电芯均衡

在被动电芯均衡技术中，高能电芯的多余能量会被消耗掉，直到其与低电压电芯匹配或相等。被动电芯均衡技术可以采用固定分流电阻法或开关分流电阻法，如图6所示。

串联电池包的电量均衡控制器是保护电池，并维持储存容量和运行工况的基础。电池的充放电机理受电池系统中不断变化的物理特性的影响。这种不平衡是由于温度、电池老化、制造缺陷、容量测量不当等造成的。

锂离子电池常见的故障有热失控、过充电、欠充电和过电流。锂离子电池的故障主要是由于电池的老化和操作不当引起的。锂离子电池实际上是复杂的，由于其电化学特性很难判别故障。由于固态电解质界面的腐蚀，锂离子电池会老化。也可能由于温度不适、过充电、过放电、高电压等原因而发生。故障诊断的主要过程是故障征兆分析、故障分离和故障检测和排除故障。电池故障诊断方法有在线诊断、智能故障诊断和模糊诊断等。智能故障诊断是基于知识的推理机、解码器和人机界面的故障诊断。模糊诊断基于模糊逻辑和电池特性数据变化有关的电池故障诊断。

電池中产生的热量是由于反应、电阻、可逆热和外部接触端子产生的热量。热量产生将导致性能下降、寿命周期缩短，并影响电芯均衡容量。热管理中采用的方法有主动冷却系统、液体冷却、空气冷却、液体直接冷却、间接接触冷却等。

3.6 数据存储和采集

数据存储用于电池管理系统，将其处理来自车辆的电子数据。BMS对存储的数据进行处理，以保持热量，防止过度充电、故障诊断，并通过电池管理系统控制电动汽车的其他部分。数据存储在电池管理系统中运用能提高电动汽车的安全性、性能和功能。

数据采集系统也叫做数据记录器。数据采集系统由硬件和带有可编程软件的电脑组成。数据采集系统可以完成测试校正、波形显示、数据存储分析等。软件在数据采集系统中起到重要的作用，因为它可以执行采集和处理数据的双重操作，并显示测试结果。

3.7 BMS操作数据的丢失

BMS数据丢失的原因如下：

① 随时停电；

② 设备网络随时重新配置；

③ BMS上随时进行维护作业；

④ 分控连接发生变化；

⑤ 许多BMS由一台电脑或服务器供电或备份，一般能源数据只能存储几周；

⑥ 向BMS添加一层设备间通信，会创建另一个可能的配置故障、核心问题和错误等。

电源不稳定和异常运行对电动汽车的影响，可以通过电源管理控制技术来解决。电源管理控制技术提高了系统的稳定性、可靠性、耐用性和功率损耗，并将损耗和运行成本降至最低。目前，电动汽车正在采用自动电源管理控制。

3.8 充电和放电控制

为了使电池正常或有效地工作，BMS有工作电压范围。锂离子电池的最佳电压为2.54.2V。超出工作范围可能导致电池或电池模组的寿命缩短，或使其功能完全失效。电池系统的效率就是放电能量与充电能量之比。

4 结论

BMS在电池的电量估算和延长电池寿命方面发挥着重要作用。BMS将电池的其他重要属性保持在其允许的范围内。它是电动汽车巨大变化不可或缺的组成部分，以致力于将电池与新兴绿色产业的增长紧密联系在一起。

BMS软件监测与控制运行相关的所有关键指标（冷却、电源断开、负载管理），在超出限制的情况下控制运行关闭。BMS软件失效保护备份在软件故障时，将硬件关闭。可以设置为稍高的限制。如果BMS低压电源出现故障，则关闭动力电池供电。

基金项目：新疆自然科学基金面上项目《基于智能手机的蓄电池电压监测器设计研发》（课题编2021D01A69）。

参考文献：

[1]瑞佩尔.新能源汽车结构与原理[M]．北京：化学工业出版社，2018.

[2]汤姆·登顿著，张伟，等译.电动和混合动力汽车[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2021.

[3]Gianfranco Pistoia，Boryann Liaw. Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles[M]．Springer. 2018.

[4]Lindens Handbook of Batteries， 4th edn.， ed. by T. Reddy. （McGraw-Hill， New York， 2011）.