汽车电子之BMS电池管理系统

火辣西米秀

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在全球能源危机和碳中和目标的大背景下，锂离子电池由于具有高能量密度，低自放电率，寿命长，可快充等特点逐渐成为新能源汽车，便携设备的主要动力储能电池。

 

2021年，《2030年前碳达峰行动方案》发布了关于中国到2030年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右这一目标，促使新能源汽车销量在汽车产销下行大背景下逆势上扬，迎来爆发式增长。而动力电池作为新能源汽车的核心环节，从性能、产能和成本等方面影响汽车电动化的发展进程。

 

中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示，2021年中国动力电池产量219.7GWh，销量 186GWh，装机量为154.5GWh。而随著全球新能源车市场的持续增长，全球动力电池装机量预计将在2021年至2026年间以36.4%的复合年增长率增长，并于2026年达到1,386.7GWh。

 

新能源车性能的决定性因素

main factors

与传统燃油车相比，决定电动汽车的性能不再是动力传动系统，而是各自动力电池能量存储的技术，这些技术限制主要分为以下三方面：

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储能动力电池能量密度及其成本

如何提高技术降低可接受范围，目前我国目标到2030达到500Wh/kg，0.6元/Wh。

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充电时间和续航里程

更短的充电时间和更长的续航里程才能被消费者接受，例如明年即将量产的CATL的第三代CTP麒麟电池可以10分钟快充至80%的SOC（State of Charge, 剩余电量），整车续航达到1000km消除用户续航焦虑。

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电池循环寿命，

以及存在原生无法完美解决的安全隐患

即便是目前最先进的磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池技术也同样存在，一旦单体电池破裂，短路等情况，锂离子电池内部激烈化学反应将会引起热失控导致燃烧保证等严重的安全事故。

 

因此，如何在优化可用性和可靠性的同时最大限度地提高电池存储耐久性和安全性,这都将取决于电池管理系统。

什么是BMS电池管理系统

Battery Management System

BMS是连接整个动力系统和电池系统的关键组件，负责对整车电池系统提供保护，充电管理，热管理，均衡控制，监控和维护等工作，确保每个单体电池以及电池模块能够安全可靠的运转。

 

BMS的核心是基于相应的算法来确定系统状态，以此对单个电池和电池模块进行管理。通过自适应算法，随时了解车辆的电池状态，并采取一切可能的措施来优化电池的使用寿命。

电池管理系统 (BMS) 常见布局方式

主从式

下图中显示了电池管理系统的主要功能，包括以下具体任务：

主机（Master）

• 系统完成电池状态估计，包括SOC （State of Charge， 剩余电量）和SOH（State of Health，电池的健康状态)，并负责电气管理（充电算法和放电监控）以及热管理控制

从机（Slave）

• 单体电池和整个电池组的数据采集

• 与其他分布从机系统进行数据通信

• 安全管理（故障诊断和报警通知）

• 对单体电池进行实时监控和电荷均衡控制

 

BMS与电池组的均衡管理

电池组均衡管理的重要性

为了实现极高的电量和系统电压，多个单体电池需要被并联后再级联，多个单体电池需要被级联（cascade）。以Tesla Model S为例Tesla 84 kWh / 400 V Battery 需要96节18650电池级联来获得最大403.2V电压（96x4.2V）。

而电池包中的单个电池由于生产和逐渐老化导致其内阻和化学过程呈现不一致行，最弱或最强的单体电池会限制系统的整体性能，影响续航能力。

 

每个电池都有自己的内阻，老化，电压和温度特性，如果只监测电池组整体电压，则存在单体电池承受过高电压并发生不可逆转损坏、火灾或爆炸的风险。为了防止单个电池之间不均衡问题（单体电池电压发散），必须监控各个电池单体电压并调整充放电过程，对电池组进行均衡管理，防止过充或者过放电的发生，最大限度地发挥电池系统的性能和电池包的容量，保护电池系统。

 

两种主要的电池均衡方式

被动均衡和主动均衡

被动均衡（Passive balancing）

• 通过放电电阻耗散具有较高电压的电池的能量，使其与较低电压电池电量保持一致。通常，最弱的电池更快地达到较高电压。一旦电压超过安全阈值，电阻就被接通，电池就会被放电。具有成本低，易实现特点，但效率低。目前还是主流的均衡管理方法。

主动均衡（Active balancing）

• 利用电容器或电感器（buck/boost）等电荷存储元件对多余能量进行转移来实现均衡的方法，其优点相较于被动均衡更加高效，但是实现电路较为复杂。

 

BMS前端模拟芯片

负责参数测量采集工作

整个电池管理系统核心就是对锂离子电池的荷电状态估算。准确的SOC（剩余电量）估算可以作为电池能量管理系统评判的最重要依据。由于SOC数值无法直接测量得出，只能根据可测参数进行估算。通过检测电池端电压，电流，温度，阻抗等参数来是估算系统输入，从而预估SOC等状态参数。其中所有参数测量采集工作都是由BMS前端模拟芯片来完成，作为整个系统的核心芯片通常需要具有以下功能：

1. 需要对每个单体电池电压采集

2. 单体电池电量均衡管理控制

3. 电池温度以及电流采集

4. 过流保护以及充放电管理功能

5. 通信接口CAN，SPI，GPIO，JTAG等

 

BMS采集芯片与ATE测试

高压、更高的测量精度需求

为了满足电池容量需求以及减少系统组件，每颗BMS采集芯片负责的电池包中需测量的串联电芯数量也在不断增。目前在车载应用领域主要在12节到16节之间，未来随着新能源汽车电池系统供电电压从现在主流的400V向800V转变时，对BMS采集电芯数量要求也会不断提高，18节，24节未来可能成为主力。

 

也就是说ATE测试系统需要支持80V(<16节)电压，未来需要支持>120V（18，24节）的电压。另外随着SOC算法的不断演变，估算精度要求的不断提高，对BMS前端模拟芯片的测量精度要求也在不断地提出挑战。更精确的电池电压监测，以最大限度地提高电池可用容量并延长电池寿命，ATE测试要求每个单体电池监控输入的精确浮动电压测量 (<200uV)。

 

BMS芯片与V93000 PAC解决方案

高电压、大电流、超高精度

V93000 PAC 解决方案为BMS芯片提拱了满足高电压，大电流，超高精度的从CP到FT测试的整体解决方案， V93000 PAC使用具有高密度测试资源PS1600 + AVI64 + FVI16 + PMUX，可以满足BMS芯片更高的站点并行测试需求，实现更低的测试成本。

Verifone

介绍的简洁明了，对BMS有了一定的了解，介绍的不错

欧18002566372

介绍的很好，感谢分享

护橙河

感谢分享，就是我后面可能回想从事BMS电池管理系统方面的硬件工程师工作，请问有比较推荐的一个学习过程和一些项目或者书籍嘛？目前我有点迷茫，不知从何学起