锂电池管理系统BMS基本功能

倪佳燕

摘要：随着经济的发展，环境问题日益突出。在此情况下中国主动提出“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。在双碳目标下,我国已开启能源转型之路。目前锂电池系统作为清洁能源之一，迎来了前所未有的机遇。因锂电池个体之间容量和内阻不一致，锂电池系统稳定、高效运行就与锂电池管理系统密切相关。

关键词：碳中和；碳达峰；锂电池管理系统

1 电池管理系统的前景

1.1 本课题研究的目的和意义

在能源转型下，搭载锂电池组的电动汽车蓬勃发展，而BMS（Battery Management System）电池管理系统能够防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命，提高电池的利用率，因此BMS的发展变得尤关重要。

1.2BMS的现状

电池管理系统（BMS）是保护电池使用安全的控制系统，主要负责监测和管理整个电池组的状态，其中包括：单体电压、温度监测，总压、电流检测，充放电管理，SOC与SOH实时动态估算等，对整个电池系统的安全性有着重要的影响。

BMS处于锂电池产业的中游见下图：

图1BMS现状

BMS处于锂电池产业链中游，于下游产业息息相关，而BMS作为下游产业的重要组成部分，市场规模增长潜力巨大。

2BMS的功能需求

2.1单体电压检测

要求对电池系统内部所有电芯的电压进行检测，单体电压的检测范围：0V~5V。

2.2温度监测

包含电池系统内的温度检测（电芯和电连接部分的温度检测）。

各模组内部的温度检测点数量不少于2个，安装位置能体现出模组内部的极限温度，要求电芯温度的采样点布置于module中部与module端部。

温度检测范围：-40℃~+125℃。

2.3总电压检测

具备独立的电池系统总电压检测回路，在单体电压检测出现故障的情况下仍可正常实现该功能。检测数据通过CAN总线的发送到整车网络。

总电压检测范围：0V~450V；

电池系统电压检测误差：FS≤±0.5%。

2.4电池系统母线电流检测

电流方向以充电为负，放电为正。检测数据通过CAN总线的发送到整车网络。

母线电流检测范围：-400A~400A。

2.5SOC估算

SOC是整车系统评估电池系统电量的唯一依据，需在电池系统的整个寿命周期满足设计精度要求。管理系统需要通过一定策略对SOC累积误差进行修正，修正前后差值需低于SOC估算精度要求。相应的SOC修正策略需在初始化完成之前实现，估算数据通过CAN 总线发送到整车网络。

SOC估算误差：≤5%；

SOC范围：0%≤SOC≤100%

2.6SOH估算

SOH电池的健康状态，是长时间充放电后，电芯内阻变化对电池寿命的体现。

SOH估算误差：≤5%。

2.7功率限值估算

峰值功率定义：在当前SOC和温度环境下，电池系统充放电时间可持续10S的最大功率值。持续功率定义：在当前SOC和温度环境下，电池系统充放电时间可持续的功率值。

（1）峰值充电功率估算；

（2）持续充电功率估算；

（3）峰值放电功率估算；

（4）持续放电功率估算；

整车控制系统实时跟随BMS上报的峰值充放电功率值，实现对电池系统的保护，响应时间小于1S。

因SOC或温度原因，充放电功率需要降低，要求峰值功率上报值优先于持续功率上报值降低，电池系统状态进行降功率模式。

峰值充放电功率如因SOC或温度的原因需要改变，要求从峰值功率到持续功率的变化能平滑过渡。

功率估算误差：≤5%（功率估算值不得超过电池系统的实际功率能力）。

2.8绝缘电阻监测功能

电池管理系统在工作状态下，周期性地对整车系统进行绝缘电阻测试，[3]在高压上电前、后都能实现对绝缘电阻的检测；在进行绝缘检测时不能降低整车的绝缘性能。

电池系统需保证在高压上电之前绝缘无故障；如果BMS检测有绝缘故障报警，在故障解除前，不允许闭合高压继电器。

绝缘电阻检测精度：0~-30%。

2.9接触器控制功能要求

电池管理系统应能对控制的接触器的状态、对控制的接触器粘连、无法闭合的故障状态进行检测；对自身控制接触器的使用寿命进行统计。

外部电源反接，不应该导致接触器非受控的闭合。

接触器从接到VCU指令到实际打开的时间需＜20ms。

整车电源的波动，不能对接触器的触点结合力有影响。

在受控状态下禁止控制任何两个接触器同时工作，任何两个接触器动作之间的时间间隔不小于100ms。

2.10碰撞信号检测

当BMS判断以下任一条件满足时，立即切断所有回路的高压：

条件1：硬线接收到VCU发出的碰撞PWM信号变为碰撞发生后的波形；

条件2：CAN 线接收到碰撞信号为“有效”；

PWM信号描述如下：

（1）正常工作未发生碰撞时的信号，见下图3所示：

图3正常工作未发生碰撞时的信号

（2）碰撞发生后，安全气囊控制器将发出连续20个反向脉冲，见下图4所示：

图4碰撞发生后的信号

说明：

·N=20

·T1=100ms

·T2=20ms

·脉冲偏差小于10%

·碰撞发生后，VCU将对地100ms、间歇20ms形式进行动作，循环20次。

·8V以上为高电平，1V以下为低电平。

该信号只能保证在碰撞时，相对速度≥25km/h时发出，并不以电池状态作为判断依据，即发生碰撞时，相对速度＜25km/h，不会有碰撞信号发出。

2.11总线通讯功能

BMS至少具备2路CAN总线：

一路与整车控制器和车载充电机通讯，并实现诊断功能；另一路与直流充电桩通讯。协议符合GB/T 20234.3《电动汽车传导充电用连接装置第3部分直流充电接口》对直流充电的要求。

电池系统内部总线相关信号线采用屏蔽双绞线。

2.12均衡功能

电池系统应具备均衡功能，来保证电芯的一致性。均衡功能能通过外部诊断功能开启和关闭。

均衡功能的状态可通过总线状态上报，具体包括：

（1）均衡进行中；

（2）均衡已触发，条件满足的情况下将开启均衡；

（3）强制均衡以触发；

（4）均衡已完成等。

2.13慢充CC、CP检测功能

BMS能检测充电枪插枪CC、CP信号，该功能完全符合GB/T 20234.2《电动汽车传导充电用连接装置第2部分交流充电接口》中的要求。

BMS能被充电枪的CC、CP信号唤醒。

BMS能唤醒VCU。

正常慢充过程中，如果交流220V电源开关切断，1分钟（TBD）后BMS可以进入休眠状态，当交流220V电源开关闭合后，在不需要重新插拔充电枪的情况下，BMS能够被重新唤醒并继续进行充电。

电动车辆能够检测充电设备CP端口发送的PWM信号。

3 结论

随着近年来新能源的热潮，BMS电池管理系统的需求也日益增多。未来的发展趋势对BMS成本的控制，功能的要求，数据传输都有极高的要求。

BMS发展的一个很确定的趋势就是提高感应精度，可以减少电池容量中未使用的余量，从而减少电池包的电芯数量，实现成本和重量的改进，延长电池的寿命。

参考文献：

[1]《电动汽车充电连接装置自愿性认证》[J]质量与认证.2016年12期.

[2]《电动汽车电池管理系统发展综述》[J]电子质量.2016年10期.