1.4 电池能量管理系统

随着电气化动力系统变得日益复杂，电池能量管理系统（Battery Manage-ment System，简称BMS）需要执行的功能增多，承受的负担之重前所未有。无论是简单的充电控制器还是复杂的控制单元，对于电池管理系统（BMS）的需求都在迅速增长，尤其是电动车辆领域。除了传统的充电状态监控外，BMS还必须遵守日益严格的安全法规，注重控制和待机功能、热管理和用于保护车厂电池的加密算法。未来，甚至车辆控制单元的部件和功能也会与BMS相关联。BMS在电动车辆领域发挥重要作用。然而BMS的各个子功能往往由车厂定制，会因系统配置不同而存在很大差异。因此，不可能制定出适用于每一个电动车辆制造商的完整的BMS要求列表。然而，电池管理系统处理的任务范围不断扩大，这一事实毋庸置疑。BMS最常见的要求包括安全要求、控制和监控功能、待机功能、热管理、加密算法和预留可扩展接口增加新功能。电池系统中最危险的故障来源有：因电缆磨损或事故而导致车辆底盘出现高电压漏电而未被发现；各种引起高电压电池起火或爆炸的原因，例如对电池过度充电（如在公用电网上或因停电恢复引起）、电池过早老化（如爆炸性气体泄漏）、液体进入和短路（如因雨水引起）、滥用（例如维修不当）和热管理错误（如冷却失效）等。在安全方面，主开关（主继电器）在避免与高电压相关的事故中起到了重要的作用，它可确保BMS电子系统能够做出充分的故障反应。发生故障时，BMS模块会在适当的故障反应时间内断开开关（例如10ms以内）。非关键故障安全条件的特征通常是：如果BMS微控制器（MCU）失效，甚至在控制器逻辑完全失效的情况下，独立的外部安全元件（如窗口看门狗）仍可确保主开关继电器可靠地打开逆变器（正/负）的两个高电压触点。BMS中还集成了其他安全功能，包括漏电电流监控和主开关继电器监控。BMS功能包括对电动车辆中昂贵的高电压电池的监控、保养和维护，如图1-13所示。BMS控制和监控功能来源于安装于电池包中的电子平衡单元。管理各个电池组内（Battery Slave Pack）的平衡，同时精确地感测各个单电池的电压。平衡芯片通常可管理多达12个单电池组成的群组。相关数量的电池群组串联后可产生高达数百伏的高中间电路电压以供逆变器控制之用，这是电动车辆的逆变器电驱动所必需的。位于主开关对所有高电压电池的总电流的测量，以及从芯片对各个单电池电压的单电池精确同步监控，BMS可使用特定算法（如基于电池化学Matlab Simulink模型）评估充电状态及健康状态等电池参数。BMS通常不会安装在非常靠近高电压电池的位置，但是通常会通过冗余的流电去耦总线系统（如CAN或其他适合的差分总线）与电子平衡从动元件相连接。它由汽车电压（12V电池）供电，因此可通过现有的网络架构与现有的控制单元群组结合使用，无须进一步的流电去耦措施。最后，它还改善了安全性，因为它让BMS能够在高电压电池发生机构或化学缺陷时确保功能正常并且安全地断开主开关。根据制造商选择的电动车辆特定电子拓扑结构，目前已有高阶驱动策略的逆变器控制单元和独立的整车控制单元。同时还有整个转矩控制系统，这些系统还具有其他高级功能，如智能电源管理器等。电源处理器（通过集成的导航单元）将驾车路线规划涵盖在内，可根据具体路线优化整个电源系统，因此有助于增加电池的行驶距离范围。

图1-13 电池管理系统模型解剖图