原创 电池管理系统概述

上周的时候，收到第一篇工程师的投稿，是关于电池管理系统概述的，作者是王梦春，目前也在整车企业工作。

电池管理系统 (BMS) 是 新能源汽车整体架构中的要素之一。智能型实现方案不仅能够延长电池的使用寿命，而且还有望延长汽车采用纯电力驱动模式时的行驶距离。
BMS 常见的控制模块有：
1. 电池电压，电流信号的监测，电池包温度的检测
电池cell的电压，电流，是所有BMS顶层控制逻辑的基础，就跟轮胎力学是车辆动力的基础一样。当电池的SOC处于中间部分时，电压变化范围很小，但是SOC的变化范围很大，这要要求cell的电压传感器的精度需要满足一定的要求。对应Pack也有相应的voltage sensor。
电池包的温度传感器并不对应着每一个cell都有一个传感器，而是首先你需要经过CFD分析，在pack中找到最合适的点用最少的传感器来采集温度信息。
2. Contactor Control
继电器控制。如上图所示，这是一个Full hybrid energy vehicle, 因此只有三个contactor，分别为main contactor，negative contactor, 还有pre-charge contacor，其中pre-charge contacor串联了一个大电阻，其主要作用是防止供电时电流过大，对电机造成伤害。
如果是plug-in energy vehicle, 这里就要多两个充电的contactor，因此混合动力车上的contactor control 也是非常重要的，contactor什么时候open，什么时候closed，close sequence，都是我们需要考虑的。
3. SOC Estimate
毫无疑问，这个是BMS中最核心也是最难的一部分了。SOC估算常见的有安时积分法，和开路电压标定法，安时积分最大的问题是随着时间的推移误差会越来越大，开路电压标定的问题是，电池需要在静置很长时间以后的开路电压对应的SOC才是准确的，汽车在行驶的时候采集的电压用来标定SOC那是不准确的。理论研究中海油卡尔曼滤波法，神经网络法。
4. Balance
均衡主要有主动均衡和被动均衡两大类，现在主流的混合动力车都是被动均衡，关于主动均衡和被动均衡的优劣势，我这里就不粘贴复制表格了，大家有兴趣可以自己百度一下。
为什么要均衡，什么时候均衡，如何均衡，怎么触发均衡，均衡结束条件，这都是我们必须研究的问题。
5. Power limit
电池有容量量型的，和功率型的，这两者貌似不能同时兼得，我不是研发电池化学的，大家有兴趣可以查一查相关资料。能量大的电池，功率不一大。锂电池包最为电机的能量提供着，必须要满足电机的功率要求，因此在选择电池时，我们得折衷考虑电池的容量和功率。
在确定电池类型后，电池的power limit收到环境温度还有SOC的影响，为了保证电池的使用寿命，在不同的温度和SOC值下，我必须设定不同的power limit 来对电池的输出加以限制。
6. Thermal control
电池的化学性能受环境的温度影响非常大，为了电池的使用寿命必须让电池工作在合理的温度范围之类。温度控制就设计到CFD仿真分析了，前面第一部分所说的，温度传感器，如何使用最少的传感器来有效的监测整个电池包的温度分布，并将监测信息反馈给BMS，BMS通过传感器信息进行温度控制。最常见的温度控制主要有风冷和水冷。
7. Charge Control(Plug-in energy vehicle)
充电控制对应的是插电式混合动力，BMS本身不对充电进行管理，只是进行监测，比如充电电压，充电电流，电池pack电压，charge contactor控制等。判断电池包电量是否充满。充电控制部分主要由充电控器管理，充电控制器与BMS之间通过CAN通信来完成信息交换。
8. Fault Diagnostic and fault tolerant
故障诊断及容错控制在任何控制器当中都是非常重要的部分，我们最常见的发动机管理当中的故障会以故障码（DTC）形式表现出来，比如发动机过热，油箱没有油，都会通过DTC触发仪表盘当中的指示灯，同样的在混合动力汽车当中，电池故障也有相应的指示灯。故障诊断包括对电池cell的电压，pack电压，电流，pack 温度传感器的故障进行诊断，确定故障位置和故障级别，并作出相应的容错控制。

我是打算，在书里面对此做一个完整的章节的。这里先以最简单的功能简图，写一下电池管理系统的概览。

在深入了解新能源车的部分以后，从电池系统和电池管理入手，可以得见核心系统设计的困难，相对而言，硬件设计还是简单一些。做电池系统开发，可能是未来10年，最有趣的工作之一。当然，如果锂离子电池被其他电池所取代，整个电池管理本质上也是在演进的，因为它还不够好。