三电技术之电池管理技术

1 功能概述

电池管理系统 (Battery Management System), 即管理电池的充放电，使电池处于一个最佳的状态。

电池是由多个电芯组成的，每个电芯充放电都是一个电化学反应的过程。无论电芯的制造多精密，随着使用时间、环境的不同，各个电芯的特性都会存在不一致的地方，因此需要利用电池管理系统，通过电芯的特性参数去评估当前电池的状态。

由于嵌入式系统很难评估电化学的一些指标特性，因此电池管理系统只能通过有限的特性参数诊断电池状态。

2 基本概念

材料：

三元/磷酸铁锂

成组方式：

3P105S，这里指的是有几个并联，几个串联，P 是英语 Parallel ,S 是串联的 Series,并联提升容量，串联提升电压。

容量：

AH 为容量，即用多少电流放电多长时间，比如 150AH，利用 150A 的电流，可以放电一个小时。

电芯的电压：

单个个电芯的电压是一个浮动范围，SOC 不一样电芯的电压不同，三元的电压大概是从 2.75V-4.2V。

SOX：

全称是 State Of X,电池的状态描述，H 是英文 Health,C 是容量，P 是功率，E 是能量，有点像发动机的参数，排
量，功率，能量，运行时间等。大致意思是一致的。

均衡控制：

电池均衡就是一系列的电路和技术，让充电时每个电池都能充满，放电时，每个电池尽量都放出最大bai 量。总而言之，就是能让电池组的各个电芯安全的前提下，尽量的多充电、多放电，利用率达到
最大。

电池热管理：

是根据温度对电池性能的影响，结合电池的电化学特性与产热机理，基于具体电池的最佳充放电温度区间，通
过合理的设计，建立在材料学、电化学、传热学、分子动力学等多学科多领域基础之上，为解决电池在温度过
高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题，以提升电池整体性能的技术。电池热管理主要包括：风冷，
液体冷却，热电冷却，热管冷却以及相变材料热管理等多种方式。

3 主要功能模块

电池管理系统的功能可分为测量功能、核心算法和应用功能。

测量功能：

BMS 是个功能特别复杂的电子设备。在其设计阶段，需要对原型的功能进行验证；在生产阶段，需要对产品的功能进行测试；如果设备出现故障，需要进行检修。在这些阶段都需要有对应的测试设备来支持。BMS 的各项功能涉及到包括数据采集、数据通讯、过程控制等多种技术，需要用 ADC、DIO、PWM、CAN、继电器等多
种端口和设备，功能和算法都比较复杂。为了对这些复杂的功能进行全面的测试（很多情况还要进行性能测试和评估），目前的测试方法主要有两种：实物测试，仿真测试。

核心算法：

电池的状态估算包括 SOC(state of charge)、SOP（state of power）、SOH(state of health)以及均衡和热管理。

SOC：

荷电状态即电池还剩多少点。SOC 是 BMS 中最重要的参数，其他一切都是以 SOC 为基础的。高精度的 SOC 估算可以降低所需电池成本，提高续航里程。

SOP：
SOP 是下一时刻比如下一个 2 秒、10 秒、30 秒以及持续的大电流的时候电池能够提供的最大的放电和被充电
的功率。SOP 的精确估算可以最大限度地提高电池的利用效率。比如在刹车时可以尽量多的吸收回馈的能量而
不伤害电池。在加速时可以提供更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池。同时也可以保证车在行驶过程中
不会因为欠压或者过流保护而失去动力即使是在 SOC 很低的时候。

SOH：

是指电池的健康状态。它包括两部分：安时容量和功率的变化。一般认为：当安时容量衰减 20%或者输出功率衰减 25%时，电池的寿命就到了。

均衡功能的原理：

可以联想木桶原理，有主动均衡和被动均衡两种方法。主动均衡就是长木板裁剪后来补短木板，使得所有木板
平均；被动均衡就是长木板都进行裁剪，保持所有长木板与最短木板一样长。

应用功能：

应用功能包含：高压上下电与低压上下电、交流充电与直流充电、电池系统热管理、电池系统故障诊断。
其中，高压上下电与低压上下电是需要其他控制器，比如VCU 与 BMS 配合来实现，BMS 完成高压上电后，才能给整车高压负载供电或进行充电（也有厂家做的集成度高的，BMS自己就能搞定上下电的过程）。
交流充电是通过交流充电桩、车载充电机为动力电池充电；
直流充电是通过直流充电桩为动力电池充电。充电功能有相关的国标规定。
电池热管理主要是保证电池处在一个合理的温度范围，保证充放电功能处于最佳状态。
故障诊断内容较多，电池的安全就全靠这块，包含过欠压保护、过流保护、继电器粘黏检测、电池压差保护等功能。

4 技术知识要点

1.IS026262 功能安全标准

着电子电气系统越来越集成和复杂，其安全性也越发显得重要。因此，对功能安全的考虑应该深入工程师的设计
思维。而 ISO 26262 正是国际标准化组织专门针对汽车电子电气系统制定的功能安全标准，目前已经在汽车行业广泛推行。

2.AUTOSAR 汽车开发系统架构
AUTOSAR，即汽车开发系统架构（Automotive Open System Architecture），是一套支持分布式的、功能驱动的汽车电子软件开发方法和电子控制单元上的软件架构标准化方案，目前AUTOSAR 联盟已经包括宝马、大众、福特、丰田、BOSCH、大陆集团等众多汽车企业、汽车电子企业等。

3.控制策略开发与 MATLAB 应用
控制策略开发的流程、规范及所需用到软件工具、功能模块。MATLAB/Simulink 在汽车控制策略开发中的实际
应用，以及建模规范（MAAB）。

4．新能源汽车原理与结构

能源汽车与电动汽车如何定义？新能源汽车动力电池系统、电机驱动系统、新能源汽车高压系统、新能源汽车附件在整车当中的位置及作用？

5.动力电池基础
开发动力电池管理系统需要了解电池的基本结构及工作原理、主要性能参数（例如额定电压、额定功率、能量密
度、功率密度等）及测试方法、电池基本特性（温度特性、放电特性等）及分析方法。

6.电池建模及状态估计算法
动力电池的很多参数具有非线性的特点，给电池的状态评估和建模带来了极高的挑战，也因此成为动力电池管理系统开发的核心工作内容之一。

7.动力电池热管理技术
在动力电池管理系统开发中，电池的热特性是重要的考虑因素之一，因此需要通过研究电池的热特性进而在管理系统中搭建热管理模块。

8.电池管理系统设计及实现技术
电池管理系统开发工作包括硬件（电池均衡、高压采样、绝缘检测等）、软件（系统算法、故障诊断等）的设计，需要考虑功能性和安全性。

9.动力电池测试与验证
测试和验证是动力电池管理系统开发工作的重要一环，在岗位中需要熟悉动力电池的测试验证要求、标准，能够
制定测试计划，并通过测试分析来改善系统设计。

以上所有这些都是 BMS 行业从业者或欲从事 BMS 行业人员的必备知识，人员包括软件工程师、硬件工程师、
测试工程师、质量工程师、售前工程师、售后工程师、供应链工程师，及相关的管理人员。

5 BMS 测试平台

系统集成仪器

系统内集成的仪器包含:

测试项目

确认和验证测试
仿真满量程电压，100 节电池的电池组电压
仿真 26 个温度传感器
仿真多种模拟电压和模拟电流的传感器
仿真驱动马达的阻抗模式
仿真外部低压电池
输出过压或欠压保护
单节电池电压精确测量
温度传感器精确测量
系统通讯能力
系统安全测试