什么是电池管理系统 (BMS)？

动力输出取决于电池，电池管理系统（BMS）是其核心。它是一个用于监控和管理电池的系统。它通过采集和计算电压、电流、温度、SOC等参数来控制电池的充放电。实现对电池的保护、提高电池整体性能的过程、管理系统是连接电池与电池应用设备的重要环节。

BMS主要包括硬件、底层软件、应用层软件三部分。

电池管理系统（BMS）的硬件

1.架构

电池管理系统（BMS）硬件拓扑分为集中式和分布式两种。

(1)集中式

集中式是将所有电器元件集中在一块大板上，采样芯片通道利用率最高，采样芯片与主芯片之间可以采用菊花链通信，电路设计比较简单，产品成本低大大减少，但所有的采集线束都会连接到主板上，这对BMS的安全性提出了更大的挑战，菊花链通信的稳定性也可能存在问题。比较适用于电池组容量比较小，模组和电池组类型比较固定的场合。

(2)分布式类型

分布式包括主板和从板。电池模块可以配备从板。这种设计的缺点是如果电池模组数量少于12个，就会浪费采样通道（一般有12个采样芯片通道），或者2-3个从板收集所有电池模组。这种结构在一个从板中有多个采样芯片。优点是信道利用率高，节省成本，系统配置灵活，适应不同容量。不同规格型号的模组和电池组。

2.功能

硬件设计和具体选型应结合整车和电池系统的功能要求。通用功能主要包括采集功能（如电压、电流、温度采集）、充电口检测（CC和CC2）、充电唤醒（CP和A+）、继电器控制和状态诊断、绝缘检测、高压电压互锁、碰撞检测、CAN 通信和数据存储要求。

(1) 主控制器

处理控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报的信息判断和控制电池运行状态，实现BMS相关的控制策略，并做出相应的故障诊断和处理。

(2) 高压控制器

实时采集并上报电池的总电压和电流信息，并通过其硬件电路实现及时积分，为计算充电状态（SOC）和健康状态（SOH）提供准确数据主板。带电检测和绝缘检测功能。

(3) 从属控制器

实时采集上报电芯电压和温度信息，反馈每串电芯的SOH和SOC，并具有被动均衡功能，有效保证电芯在用电过程中的一致性。

(4)采样控制线束

为电池信息采集和控制器之间的信息交互提供硬件支持，同时为每条电压采样线增加冗余保险功能，有效避免线束或管理系统引起的电池短路。

三、通讯方式

采样芯片与主芯片之间的信息传递有两种方式：CAN通信和菊花链通信。CAN通讯最稳定。但由于电源芯片和隔离电路的成本较高，菊花链通信实际上是SPI通信。成本很低，稳定性也比较差。但是，随着成本控制压力越来越大，很多厂商都在转向菊花链模式。通常，使用两个或多个菊花链来增强通信稳定性。

4.结构

BMS(Battery Management System)硬件包括电源IC、CPU、采样IC、高驱动IC、其他IC元件、隔离变压器、RTC、EEPROM、CAN模块等。CPU是核心元件，不同的功能机型不同，AUTOSAR架构的配置也不同。采样IC厂商主要有凌力尔特、美信、德州仪器等，包括采集电芯电压、模块温度、外围配置均衡电路等。

底层软件

根据AUTOSAR架构，分为很多通用的功能模块，减少了对硬件的依赖，可以实现不同硬件的配置，而应用层软件改动很小。应用层和底层需要确定RTE接口，考虑DEM（故障诊断事件管理）、DCM（故障诊断通信管理）、FIM（功能信息管理）、CAN通信预留接口的灵活性，分别是由应用层配置。

BMS应用层软件

软件架构主要包括高低压管理、充电管理、状态估计、平衡控制、故障管理等。

1、高低压管理

 一般正常上电时，VCU会通过hardwire或CAN信号的12V唤醒 BMS 。BMS完成自检进入待机模式后，VCU发出高压命令，BMS控制闭合继电器完成高压。断电时，VCU发出高压指令，然后断开，12V唤醒。断电状态插上枪时，可通过CP或A+信号唤醒。

2.收费管理

(1)慢充

慢速充电使用交流充电站（或220V电源）将交流电转换为直流电，通过车载充电器为电池充电。充电站规格一般有16A、32A、64A，也可以通过家用电源充电。BMS可通过CC或CP信号唤醒，但需保证充电后能正常休眠。交流充电过程比较简单，按照国家标准的详细规定即可制定。

(2) 快速充电

快充就是用直流充电桩输出的直流电给电池充电，可以实现1C甚至更高倍率的充电。一般45分钟即可充满80%的电量。通过充电桩的辅助电源A+信号唤醒，国标中的快充流程比较复杂，同时有2011和2015两个版本，对充电技术细节的理解不同电桩厂商对国标流程的技术细节不明确也给整车充电适应性带来了极大的挑战，因此快充适应性是衡量BMS产品性能的关键指标。

3.估计函数

(1) 权力状态

SOP（State Of Power）主要是通过温度和SOC查表获取当前电池可用的充放电功率。VCU根据传输的功率值来判断当前车辆的使用情况。既要考虑释放电池的能力，又要考虑对电池性能的保护，比如在达到截止电压之前的部分功率限制。当然，这会对整车的驾驶感受造成一定的影响。

（二）健康状况

SOH（state of health）主要表征电池当前的健康状态，是0-100%之间的一个值。一般认为电池电量低于80%后就不能再使用了。可以用电池容量或内阻的变化来表示。在使用容量时，通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量，额定容量与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH将提高电池衰减时其他模块的估计精度。

(3) 充电状态

SOC（State Of Charge）属于BMS核心控制算法，表征当前剩余容量状态，主要通过安时积分法和EKF（扩展卡尔曼滤波器）算法，结合校正策略（如开路电压校正、充满校正、充电结束校正、不同温度和SOH下的容量校正等）。安时积分法在保证电流采集精度的情况下比较可靠，但鲁棒性不强。由于错误的积累，必须结合修正策略。EKF具有较强的鲁棒性，但算法较为复杂，实现难度大。国内主流厂商一般在常温下可以做到6%以内的精度，

(4) 能量状态

SOE（State Of Energy）算法厂商现在开发不多或者使用更简单的算法，查表得到当前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于预估剩余续航里程。

4、故障诊断

根据电池的不同性能，分为不同的故障等级，在不同的故障等级下，BMS和VCU会采取不同的处理措施，警告、限电或直接切断高压。故障包括数据收集和合理性故障、电气故障（传感器和执行器）、通信故障和电池状态故障。

5.平衡控制

均衡功能是为了消除电池在使用过程中产生的电芯不一致性。根据木桶的短板效应，充放电性能最差的电芯最先达到截止状态，其他电芯有一定的能力。不释放，造成电池浪费。

均衡包括主动均衡和被动均衡。主动均衡是将能量从较多的单体转移到较少的单体，不会造成能量损失，但结构复杂，成本高，对电器元件的要求也比较高。相对无源平衡结构简单，成本低很多，但能量会以热的形式耗散和浪费。一般最大平衡电流为100mA左右。现在很多厂家采用被动平衡可以达到更好的平衡效果。

BMS（Battery Management System）控制方式作为电池的中央控制思想，直接影响到电池的使用寿命、电动汽车的安全运行以及整车的性能。它对电池寿命有重大影响，决定着新能源汽车的未来。一个好的电池管理系统将极大地促进新能源汽车的发展。