鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2020年03月05日
動力鋰電池BMS技術(shù)現(xiàn)狀分析
概要
為了保護(hù)電芯和整個電池包不受放熱反應(yīng)的影響，要一個電子安全電路，即電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS最重要的功能是安全防護(hù)，使電池系統(tǒng)中電芯的電壓、溫度和電流不超過規(guī)定的極限。一般來說，BMS是一種模擬和/或數(shù)字電子設(shè)備，預(yù)期可達(dá)到以下重要目標(biāo)和要求：
提高電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。
保護(hù)電芯和電池系統(tǒng)免受損壞。
提高電池的能量使用效率（新增續(xù)駛里程）。
延長電池壽命。
基于以上要求可以派生出BMS的功能，這些功能可以分為五個領(lǐng)域：傳感和高壓控制、保護(hù)、接口、性能管理、診斷。
在一個集中的BMS中，電芯監(jiān)控單元、模塊管理單元和包管理單元被整合到一個單一的印刷電路板，它處理BMS所需的所有任務(wù)，并直接連接到電池。
在模塊化BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，模塊管理單元被劃分為多個單獨(dú)的實(shí)例，這些實(shí)例可以放置在靠近電池模塊的位置，從而降低了布線的復(fù)雜性。模塊化拓?fù)涞牧硪粋€高級變體是主從拓?fù)?。在這里，從機(jī)的功能和元素被減少到最小，與整個電池系統(tǒng)相關(guān)的功能只在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)。
在本研究中，我們分析了29個不同制造商的40個商業(yè)BMS。39種BMS改型中，有37種來自西歐、北美、日本或我國的制造商。其中只有一家位于澳大利亞，其余一家位于韓國。
分析發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品中有18個具有集中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有22個具有模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，在22個模塊化BMS中，有20個旨在管理純電動汽車的電池組，而18個集中系統(tǒng)中有13個只適用于200V及以下的應(yīng)用。
盡管其中一些集中式BMS允許互連，從而建立更大的分布式拓?fù)?，但高壓?yīng)用更可能由模塊化BMS組成，部分原因是與模塊化系統(tǒng)相比，在集中式系統(tǒng)中處理絕緣問題更具挑戰(zhàn)性。日產(chǎn)Leaf的360V系統(tǒng)是個例外。然而，模塊化系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)是要大量的通信和電源電路，因此成本相對較高。
分析表明只有7個BMS沒有明確打算在BEVs中應(yīng)用，因此它們不能在高壓下工作。此外，7個中有5個是集中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在本研究中幾乎所有的BMS都至少使用一條CAN總線通信線路。CAN總線廣泛使用的原因可能是在汽車環(huán)境中易于與其他通常使用CAN通信的控制器連接。無線BMS可以用無線網(wǎng)絡(luò)取代模塊之間的內(nèi)部通信，具有潛在的優(yōu)勢包括減少組裝過程中的線束、連接器和布線工作。然而，無線BMS面對的一個挑戰(zhàn)是汽車內(nèi)部和外部實(shí)體電磁噪聲對無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，可能會產(chǎn)生安全問題。
在研制BMS過程中，為了保證電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行要考慮多方面的因素。在過去的幾十年里，電氣和電子系統(tǒng)的硬件和軟件部分的開發(fā)出現(xiàn)了安全標(biāo)準(zhǔn)。
本研究考慮將ISO26262標(biāo)準(zhǔn)“道路車輛-功能安全”（源自通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508）應(yīng)用于BMS開發(fā)。
引言
鋰離子電池存在的問題
在過去的十年中，鋰離子電池在能量密度和成本方面的持續(xù)改進(jìn)，使得鋰離子電池成為電動汽車（EV）的首選能源。根據(jù)全球電動汽車展望2016年的報道，插電式混合動力汽車（PHEV）電池包的能量密度從2008年的60Wh/L提高到2015年的295Wh/L，顯著提高400%。另一方面，數(shù)據(jù)顯示同一時間段內(nèi)成本從1000美元/千瓦時下降到268美元/千瓦時，降幅高達(dá)78%。
在某些特定的情況下，整車廠宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成績。例如，通用汽車（GeneralMotors）宣布，其雪佛蘭Bolt的電池成本在2015年十月降至145美元/千瓦時，預(yù)計(jì)到2022年將降至100美元/千瓦時以下。另一家著名的純電動汽車（BEV）制造商特斯拉（Tesla）的目標(biāo)是在2020年之前打破100美元/千瓦時的障礙。2022年xEVs的實(shí)際目標(biāo)：125美元/千瓦時、400Wh/L和250Wh/kg，這將使新能源汽車實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車（ICEV）的成本競爭力，并具有前所未有的續(xù)駛里程。
然而，盡管鋰離子電池技術(shù)在過去的十年中表現(xiàn)出色，重要是因?yàn)槠淞己玫哪芰亢凸β拭芏?，但它既不是一?xiàng)成熟的技術(shù)，也不是在所有可能的運(yùn)行條件下都是安全的。鋰離子化學(xué)非常容易受到溫度、過電壓、深放電和過電流等條件的影響，這些條件在實(shí)際應(yīng)用中可能對電池造成損傷，因此鋰離子電池要復(fù)雜的安全管理技術(shù)，此外隨著能量密度提升電池的風(fēng)險越來越高。
隨著研究的不斷深入，熱失控已被確定為鋰離子電池的重要安全隱患。熱失控往往是在濫用的條件下造成的，例如過熱、深度放電、大倍率充電特別是低溫時的大倍率充電、大功率脈沖、擠壓，導(dǎo)致內(nèi)部或者外部短路。在能源儲存系統(tǒng)中有效和安全地利用，鋰離子技術(shù)除了易受極端使用條件下的影響外，還必須考慮如下因素：
為了給電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)所需的電壓和電流，許多鋰離子電池必須串聯(lián)或/和并聯(lián)，因此要確保高壓安全和維護(hù)安全。
鋰離子電池容量會隨著使用壽命的延長而衰減，內(nèi)阻也會新增，這種現(xiàn)象被稱為老化，有循環(huán)老化和日歷老化之分，周圍介質(zhì)的溫度、電池包內(nèi)溫度梯度都會影響老化過程。
串聯(lián)鋰離子電池在正常運(yùn)行過程中老化特性的擴(kuò)展，以及電池自放電速率的差異，導(dǎo)致電池電荷不均衡。這種不均衡降低了電池包的可用總?cè)萘浚词且驗(yàn)殡姾勺钌俚碾娦緵Q定了放電的結(jié)束（即使其他電池包中仍然存儲著可用的能量），要么是因?yàn)殡姾勺疃嗟碾姵貨Q定了充電過程的結(jié)束。忽略這兩種極端情況最終會導(dǎo)致深度放電或過充，這可能導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。更重要的是電池容量的降低將導(dǎo)致更頻繁的循環(huán)從而縮短電池壽命，因此要均衡電池包中串聯(lián)電芯之間的電荷。
BMS相關(guān)研究課題
解決上文提到的問題是BMS的永恒研究課題。文獻(xiàn)報道了電芯建模領(lǐng)域的發(fā)展，該模型能夠?qū)﹄娦竞碗姵匕M(jìn)行有效監(jiān)測。電芯監(jiān)測重要關(guān)注電芯內(nèi)部狀態(tài)的準(zhǔn)確測定：荷電狀態(tài)（SOC）——衡量電池包實(shí)際能量含量和充電不均衡的重要指標(biāo)；健康狀態(tài)（SOH）——基于電芯的容量或內(nèi)阻，衡量電池的老化；或功能狀態(tài)（SOF）——描述電池在使用過程中如何滿足應(yīng)用的需求，例如功率需求、起動能力或充電接受能力等。此外，關(guān)于電芯均衡及其對電池壽命的影響的研究活動在科學(xué)文獻(xiàn)中也被發(fā)現(xiàn)具有同等的相關(guān)性。
雖然目前在鋰離子電池中已經(jīng)投入了大量的努力來緩解上述問題，但安全性本身是一個至關(guān)重要的研究課題。大量的資源被用于實(shí)現(xiàn)正確理解和復(fù)現(xiàn)熱失控、鋰沉積、鋰枝晶產(chǎn)生、集流體溶解、產(chǎn)氣，以及環(huán)境和工況條件對上述現(xiàn)象的影響。目的是將當(dāng)前最先進(jìn)的被動安全管理轉(zhuǎn)變成一個能夠提前幾小時甚至幾天供應(yīng)安全和危害相關(guān)信息模型來保證車輛司機(jī)的安全。當(dāng)然，傳統(tǒng)的傳感策略——電芯電流、電壓和外部溫度在未來仍然不會被忽視。此外，還將考慮涉及電芯聲學(xué)和應(yīng)變信息的新型傳感策略，以及基于電化學(xué)阻抗譜（EIS）的無傳感器內(nèi)部溫度估計(jì)。
但安全不僅包括分析和算法的實(shí)現(xiàn)、傳感策略和狀態(tài)估計(jì)（例如高電壓、電或熱管理），為了防止危險事件的發(fā)生，還包括采集、處理、存儲和數(shù)據(jù)通信，以及對專用傳感器和執(zhí)行器的控制，如繼電器、預(yù)充和高壓互鎖電路、絕緣監(jiān)測裝置等。
本文架構(gòu)安排：
1、BMS概述、分類和分析。將詳細(xì)揭示無論是模塊化的還是集中式的硬件中存在的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及它們的特征、任務(wù)、優(yōu)缺點(diǎn)。
2、汽車BMS設(shè)計(jì)的功能安全流程。將介紹與e-mobility電池管理系統(tǒng)相關(guān)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果。特別關(guān)注的是ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的特性，以及在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的將其應(yīng)用于汽車BMS的方法。
3、電芯監(jiān)測算法知識產(chǎn)權(quán)。將深入研究專利中提出的電芯監(jiān)測策略執(zhí)行的理論基礎(chǔ)。
4、對電動汽車BMS市場的概述。將涉及在世界各地運(yùn)營的相關(guān)汽車BMS制造商和供應(yīng)商。
5、將說明從對BMS的最新情況分析中得出的一般性結(jié)論以及對今后活動的建議。
6、將列出所使用的信息源的相關(guān)元數(shù)據(jù)，這些元數(shù)據(jù)用于分析BMS體系結(jié)構(gòu)的最新狀態(tài)。
1、BMS概述、分類和分析
1.1BMS功能和設(shè)計(jì)
從電芯到電池包
與內(nèi)燃機(jī)車的汽油或柴油油箱不同，鋰離子蓄電池在密封的容器中同時含有氧化劑（陰極）和燃料（陽極）。在正常情況下，燃料和氧化劑以可控的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并且產(chǎn)熱和產(chǎn)氣都最小。然而在發(fā)生故障的情況下，或者假如電池在規(guī)定的極限（溫度、電壓和電流）之外運(yùn)行，反應(yīng)會很快失控并放熱。這可能導(dǎo)致熱失控，這是一個不可逆的過程，更多的熱量被直接釋放，而不是從電池外殼擴(kuò)散。這一過程可能導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸，并將環(huán)境置于顯著的風(fēng)險中。
鋰離子蓄電池有三種不同的結(jié)構(gòu)類型：袋式軟包電池、圓形電池和方形硬殼電池。在電芯的制造過程中，使用了不同的電芯化學(xué)成分、材料和添加劑。這些因素影響超出其規(guī)格限制時電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規(guī)格極限，老化過程就越快，電池的壽命就越短。
電芯的規(guī)范限制是不同的，充電結(jié)束電壓因所用的正極和負(fù)極材料而異。關(guān)于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池，放電結(jié)束電壓為2.5V，充電結(jié)束電壓為4.2V，均由電池化學(xué)性質(zhì)決定。相比之下，石墨/磷酸鐵鋰（LiFePO4）的充電電壓只有3.7V。此外，充電和溫度的規(guī)格限制因不同的電芯類型和電芯化學(xué)性質(zhì)而異，并取決于電芯的生產(chǎn)過程，特別是功率型和能量型電芯。電池的電流負(fù)載取決于所用的添加劑、隔膜、陰極的鈷含量以及電池中的電流導(dǎo)體。
根據(jù)應(yīng)用的不同，可以使用單個電芯，也可以在模塊中串聯(lián)或并聯(lián)多個電芯。為了提高電壓，可將電芯串聯(lián)，為了提高容量，可電芯并聯(lián)為超級電芯，也可以并聯(lián)幾個模塊，電芯串并聯(lián)之后被稱為電池系統(tǒng)或電池包。在電池包中，連接可以是純串聯(lián)的，也可以是純并聯(lián)的，也可以是串并聯(lián)的，電壓水平和容量可以適應(yīng)應(yīng)用的具體要求，如混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV）或固定存儲應(yīng)用。
國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6469-3將高壓范圍含義為直流電壓為60V–1500V，交流電壓為30V–1000V（即B類電壓），要在這一高壓范圍內(nèi)開展工作，要有專門的培訓(xùn)和證書。因此電池模塊的設(shè)計(jì)通常是一個模塊的總電壓小于60V，使得電壓A類。這使得在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中無需采取高成本的安全措施就可以處理模塊。
綜上所述，電池可以看作是由電芯、模組、電池包三層組成的層次結(jié)構(gòu)：
電芯：基本元素，鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)使其電壓約為3V至4V；
模塊：串聯(lián)和/或并聯(lián)的集合，電壓通常小于60V；
電池包：由模塊串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，電壓可達(dá)1000V。
BMS需求和功能
BMS最重要的任務(wù)安全功能，即使電池系統(tǒng)中的電芯在電壓、溫度和電流方面不超過規(guī)定的極限，電芯的這些規(guī)范限制通常稱為其安全操作區(qū)域（SOA）。
一般來說，BMS是一種模擬和/或數(shù)字電子設(shè)備，符合以下基本要求：
數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。
電氣管理。
溫度管理。
安全管理。
通信。
關(guān)于電動汽車來說，BMS的關(guān)鍵目標(biāo)和要求如下：
提高電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。
保護(hù)電芯和電池系統(tǒng)免受損壞。
提高電池的能源使用效率（提高續(xù)駛里程）。
延長電池壽命。
前兩項(xiàng)是安全要求，后兩項(xiàng)是使用要求。
可以從這些需求派生出BMS的各個功能，這些功能可以分為以下五個方面：
①檢測和控制：BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障，控制接觸器和熱管理系統(tǒng)。
②保護(hù)：BMS必須包括電子和邏輯，以警告或保護(hù)電池供電系統(tǒng)和電池包的操作員，通過附加的冷卻或加熱系統(tǒng)防止過充、過放電、過電流、電池短路和極端溫度。
③接口：BMS必須定期與使用電池包作為電源的應(yīng)用通信，報告可用的能量和功率，以及電池包狀態(tài)的其他指標(biāo)。此外，它必須在永久內(nèi)存中記錄異常錯誤或?yàn)E用事件，以便技術(shù)人員通過偶爾的按需下載進(jìn)行診斷。
④性能管理：BMS必須能夠估計(jì)充電狀態(tài)（SOC），最好是對電池包中的所有電芯進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算電池包的可用能量和功率限制，并均衡電池包中的電芯。
⑤診斷：最后BMS必須能夠估計(jì)健康狀態(tài)（SOH），包括檢測濫用，并且可能要估計(jì)電芯和電池包的剩余使用壽命。
BMS子系統(tǒng)和拓?fù)?/p>
電池的最終物理結(jié)構(gòu)決定實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的架構(gòu)選擇，每一層將在BMS的功能中形成一個子集：
在最低層是電芯采集單元（CMU），每個CMU連接到一個單獨(dú)的電芯，或多個并聯(lián)連接的電芯，并測量電芯電壓和溫度，并供應(yīng)均衡功能。
中間層是模組管理單元（MMU），分組為多個CMUs，并為最高層供應(yīng)比CMU更高級別的功能。
最高層是電池包管理（PMU），功能為監(jiān)控電池包并與應(yīng)用之間進(jìn)行通信，通常通過CAN總線通信。
這種分類可以分為三種架構(gòu)拓?fù)洌?/p>
①集中式：在集中式BMS中，所有三層都組合在一個實(shí)體中，BMS直接連接到所有的電芯。由于要大量的連接，集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于電池包的總電壓存在于輸入端，這種情況下很難滿足隔離要求。
圖1集中式BMS拓?fù)?/p>
②模塊化：在模塊化的BMS中，多個MMUs（具有自己的CMUs）與單個PMU通信。MMUs靠近電芯，降低了布線的復(fù)雜性。MMU通過一個隔離的接口與中央PMU通信，避免了集中式BMS的隔離問題。一種常見的變體是MMU/CMUs被縮減到最小的度量和均衡單元（從板），并與中心PMU（主板）通信。
圖2模塊化BMS拓?fù)?/p>
③分布式：在完全分布式的體系結(jié)構(gòu)中，多個PMU控制它們自己的電芯，它們可以相互通信，但彼此獨(dú)立運(yùn)行。在最極端的情況下，每個電芯都配備了一個微控制器來跟蹤SOC，決定均衡、旁路電芯等動作，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)供應(yīng)了最高的靈活性和可伸縮性，但具有很高的復(fù)雜性和成本。
大多數(shù)商業(yè)BMS采用模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈冊趶?fù)雜性、成本和靈活性之間供應(yīng)了最佳的折衷。
高壓電池包組成
除了BMS的功能外，對BMS的比較和分析還要對高壓（HV）電池組的結(jié)構(gòu)有基本的了解。因此，在本節(jié)中，簡要介紹了電池組的典型部件，并對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了圖示。
純電動汽車（BEV）的電池包由電池模塊、一個BMS、一個冷卻系統(tǒng)、一個電池?cái)嚅_單元（BDU）、外殼以及用于高壓和數(shù)據(jù)連接的接口組成。這些組件的示意圖如圖3所示，其中BDU稱為“開關(guān)盒”（有時BDU或開關(guān)盒也稱為“電池接線盒”）。
圖3高壓電池包的重要部分
在圖3中，每個電池模塊上都有一個BMS從屬模塊，它執(zhí)行直接的電池監(jiān)視并連接到BMS主模塊。除了將電池組電壓切換到外部的高壓接觸器外，BDU還包括一個保險絲、一個總電壓和總電流傳感器、一個預(yù)充電電阻和一個等壓表。預(yù)充電電阻限制涌進(jìn)電流，等壓表檢查殼體或車身是否與高壓部件充分隔離。BMS還可以通過控制加熱器保持其最低工作溫度，或控制風(fēng)扇或液體冷卻系統(tǒng)使其低于最高工作溫度，從而主動管理電池組的溫度。
BMS集成電路
BMS使用集成電路（ICs，也稱為微芯片）來實(shí)現(xiàn)其功能。用于BMS的ICs可分為供應(yīng)測量電芯的電壓和溫度電池傳感器ICs，和使用傳感器的值以確定電池組的狀態(tài)和保護(hù)電芯免受安全操作區(qū)域之外操作單片機(jī)ICs。
有幾種集成電路用于測量電池參數(shù)（電壓、溫度和電流），它們在測量精度、功耗、占用空間和成本方面有所不同。
電池管理應(yīng)用的電芯監(jiān)測集成電路的常見制造商包括：
LinearTechnology：線性技術(shù)的LTC6802、LTC6803和LTC6804產(chǎn)品線，可以處理多個電芯的化學(xué)反應(yīng)，并測量多達(dá)12個電芯的0-5V電壓。它是專為混合動力汽車牽引包設(shè)計(jì)的。
Intersil:Intersil的ISL78610和ISL78600產(chǎn)品線是專門為汽車應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，可以監(jiān)控多達(dá)12個鋰離子電池。
Maxim：Maximd的MAX14920、MAX14921系列可處理3-16個鋰離子電池。
德州儀器：德州儀器是小型鋰離子電池集成電路的實(shí)際領(lǐng)導(dǎo)者，如手機(jī)和筆記本電腦。
AnalogDevices：AnalogDevices的AD7280鋰離子監(jiān)測IC類似于LinearTechnology的芯片。
電池傳感器集成電路通常采用所謂的多路復(fù)用結(jié)構(gòu)，將每個電池（輸入對導(dǎo)線）的電壓依次轉(zhuǎn)換成單個模擬或數(shù)字輸出線路，而不是并行地監(jiān)視所有的連接單元。這種方法降低了成本，但它的缺點(diǎn)是一次只能監(jiān)視一個電芯電壓，可能會由于采樣而丟失重要信息。然后要一種高速開關(guān)機(jī)構(gòu)將輸出線切換到每個電芯，以便能夠以足夠的頻率持續(xù)監(jiān)視所有電芯。
電池主控制器集成電路
電池管理系統(tǒng)中微控制器常用的芯片架構(gòu)包括:
ARMCortex：CortexM0、CortexM1和CortexM4是一組用于嵌入式微控制器的處理器核心。Cortex-M4核心可選地包括浮點(diǎn)單元。制造商包括Atmel、Microchip、STMMicroelectronics、NXP、TexasInstruments和英飛凌。
MIPS4K：MIPS是嵌入式系統(tǒng)的模塊化微控制器體系結(jié)構(gòu)，支持可選的協(xié)處理器和浮點(diǎn)單元。為MIPS供應(yīng)了廣泛的嵌入式開發(fā)工具。例如pic32處理器系列的微芯片。
TriCore：TriCore是英飛凌的雙核32位微控制器架構(gòu)，它是專門設(shè)計(jì)用于汽車和安全關(guān)鍵應(yīng)用。
68000：68000是一個32位微處理器架構(gòu)，最初由摩托羅拉開發(fā)，制造商包括德州儀器、西門子和NXP。
BMS計(jì)算和軟件架構(gòu)
與其他嵌入式控制系統(tǒng)類似，BMS實(shí)現(xiàn)通常遵循多層體系結(jié)構(gòu)。這意味著BMS軟件功能可以分為不同的層：
底層用于設(shè)備驅(qū)動程序和硬件接口例程。
中間層供應(yīng)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和物理測量的解釋。
上層用于高級電池計(jì)算，如充電狀態(tài)和功率限制計(jì)算。
頂層應(yīng)用程序?qū)迂?fù)責(zé)根據(jù)較低層供應(yīng)的信息進(jìn)行決策。
這種多層方法及其抽象層的嚴(yán)格使用極大地提高了BMS軟件代碼的可重用性和可維護(hù)性。例如，根據(jù)SOC決定連接或斷開電池的應(yīng)用程序不要有關(guān)SOC如何計(jì)算的信息，實(shí)際上，在不同的應(yīng)用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此，SOC計(jì)算算法不要了解如何處理其輸入（溫度、電壓、電流）的細(xì)節(jié)。更一般地說，假如維護(hù)分層體系結(jié)構(gòu)，則可以修改任何層，從而限制相鄰層的結(jié)果。
大多數(shù)BMS軟件架構(gòu)為BMS的不同功能實(shí)現(xiàn)了一個多任務(wù)環(huán)境。這種環(huán)境可以是簡單的循環(huán)任務(wù)調(diào)度程序，也可以是更復(fù)雜的、完全搶占式的多任務(wù)操作系統(tǒng)。BMS是安全性優(yōu)先的系統(tǒng)，以確保任務(wù)負(fù)責(zé)的安全功能，如電壓測量和相關(guān)的過度充電和過放電保護(hù)、溫度和電流測量和接觸器驅(qū)動——及時執(zhí)行。在一個搶占式的多任務(wù)環(huán)境中，任務(wù)可能被暫時中斷，以執(zhí)行其他任務(wù)，然后在稍后恢復(fù)，因此至關(guān)重要的是，對安全至關(guān)重要的BMS任務(wù)不會顯著延遲。為了確保實(shí)時功能，幾個BMS實(shí)現(xiàn)建立在像FreeRTOS或μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），切換任務(wù)基于優(yōu)先級，并且可以供應(yīng)接受并完成特定任務(wù)的時間擔(dān)保。
1.2可用BMS的概述及其分析
本節(jié)旨在概述目前市場上可用的電池管理系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹電動汽車（EV）的應(yīng)用。然后根據(jù)上一節(jié)含義的關(guān)鍵參數(shù)和拓?fù)渥凅w對這些電池管理系統(tǒng)進(jìn)行分類和分析。
應(yīng)該指出的是，很難對目前用于商業(yè)或?qū)W術(shù)目的的各種BMS進(jìn)行概述，原因如下：首先BMS有不同的應(yīng)用場景，因此市場上可用的BMS通常應(yīng)用場景是高度適配的。第二很少有信息是公開的，特別是關(guān)于大型OEM廠商和供應(yīng)商用于BEV和HEV的BMS，如大眾、豐田、雷諾-日產(chǎn)和特斯拉，雖然它們的車型已達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)水平，但是涉及到拓?fù)?、關(guān)鍵規(guī)格、軟件架構(gòu)等等重要技術(shù)信息仍然保留在這些廠商手里。本研究的目的是盡可能收集至少關(guān)于歐洲目前市場份額最大的電動汽車的BMS信息，然而關(guān)于許多受歡迎的EV車型，包括大眾e-Golf、奔馳電動B級轎車、雷諾Zoe、雪佛蘭Bolt、現(xiàn)代Ioniq、歐寶、比亞迪、大陸集團(tuán)、Epower電子、本田、現(xiàn)代Kefico，由于不可能收集足夠詳細(xì)的技術(shù)信息，因此比較仍然是不完整的。
相比之下，專注于BMS原型小型制造商和工程公司，小批量和試點(diǎn)系列產(chǎn)品，往往供應(yīng)足夠詳細(xì)的有關(guān)他們的BMS技術(shù)規(guī)格和結(jié)構(gòu)的信息，因此本報告的分析重要集中在這個商業(yè)領(lǐng)域。此外，還有一些BMS平臺——包括來自Altera、Fraunhofer和LIONSmart的電池管理系統(tǒng)（使用開源開發(fā)策略，重要專注于研究和早期原型設(shè)計(jì)）。
可分析BMS列表
根據(jù)對BMS市場現(xiàn)況的研究，現(xiàn)按英文字母順序整理出以下32種BMS：
#1.AshwoodsEnergy’sBMS(Vayon)
#2.AVL’sBMS
#3.CalsonicKansei’sNissanLeaf-BMS
#4.DelphiAutomotivePLCBatteryManagementController
#5.DENSO’sToyotaPriusPlugIn-BMS
#6.ElitePowerSolutions’EnergyManagementSystem
#7.Elithion’sLithiumatePro
#8.ElectricVehiclePowerSystemTechnologyCo.,Ltd’s(EVPST)BMS-1
#9.FordFusionHybrid’sBMS
#10.Hitachi’sChevroletMalibuEco-BMS
#11.I+MEACTIA’sBMS
#12.JTTElectronicsLTD’sS-line
#13.JTTElectronicsLTD’sX-line
#14.LGChem’sChevroletVolt-BMS
#15.LianInnovative’sBMS
#16.LithiumBalance’sS-BMS
#17.LithiumBalance’sS-BMS9-16
#18.ManzanitaMicro’sMk3x-line
#19.MitsubishiiMiEV’sBMS
#20.NavitasSolutions’WirelessBMS(WiBMS)
#21.OrionBMS-ExtendedSize
#22.OrionBMS-Junior
#23.PrehGmbH’sBMWi3-BMS
#24.REAPsystems’BMS
#25.SensorTechnikWiedemann’s(STW)mBMS
#26.TeslaMotors’ModelS-BMS
#27.Tritium’sIQBMS
#28.ValenceU-BMS
#29.VentecSASiBMS8-18S
開放研究和原型平臺
#30.Altera’sBMS
#31.Fraunhofer’sfoxBMS
#32.LIONSmart’sLi-BMSV4
按照關(guān)鍵參數(shù)、架構(gòu)和其他顯著特征對上述BMS進(jìn)行了分析。表1.1給出了分析特征的完整列表。
表1.1BMS的分析特征列表
#1.AshwoodsEnergy’sBMS(Vayon)
AshwoodsEnergy的BMS是一個模塊化系統(tǒng)，包括多個電池管理模塊（BMM）、一個系統(tǒng)接口模塊（SIM）和一個CAN電流傳感器（CCS）。BMM結(jié)合了PMU的SOC估計(jì)、MMU的均衡和CMU的電壓和溫度測量功能，而SIM只顯示PMU特性，它要與外部控制器通信，并啟用充放電模式，CCS是用來測量高達(dá)1000伏電池組電流和驅(qū)動接觸器的。該BMS的應(yīng)用領(lǐng)域均為電動汽車。此BMS的關(guān)系圖如圖4所示。
圖4AshwoodsEnergyBMS框圖
#2.AVL’sBMS
AVL的模塊化BMS由電池控制單元（BCU）和模塊控制單元（MCU）兩層組成，適用于所有汽車應(yīng)用。當(dāng)MCU測量電池電壓和溫度時，BCU負(fù)責(zé)控制這些并執(zhí)行所有PMU功能。系統(tǒng)最大電壓為800V。
#3.CalsonicKansei’sNissanLeaf-BMS
安裝在尼桑Leaf上的BMS為集中式架構(gòu)，所有CMU、MMU和PMU的要求都是通過一塊控制360V系統(tǒng)的電路板來實(shí)現(xiàn)的，這關(guān)于純電動汽車的電池來說是很少見的。
#4.DelphiAutomotivePLCBatteryManagementController
德爾福的模塊化BMS由一個混合動力和電動汽車控制器和幾個電池管理控制器組成?；旌蟿恿碗妱悠嚳刂破髯鳛殡姵睾屯獠寇囕v控制器之間的網(wǎng)關(guān)，而電池管理控制器為450V電池系統(tǒng)供應(yīng)BMS的所有重要功能。
#5.DENSO’sToyotaPriusPlugIn-BMS
豐田在其插電普銳斯中使用了電裝的模塊化主從式BMS。有4個從控，監(jiān)視56個串聯(lián)電池，電池的總包壓為207V。這款BMS的一個特點(diǎn)是與其他所有系統(tǒng)相比實(shí)現(xiàn)了主動均衡。
#6.ElitePowerSolutions’EnergyManagementSystem
該公司供應(yīng)了一個典型主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的BMS。主處理器稱為EMS-CPU，包含所有PMU功能，并控制大量4SB-V7、4SB20-V2或4SB200-V7測量板，這些是滿足MMU和CMU特點(diǎn)的從板。系統(tǒng)總電壓高達(dá)500伏，能夠用于BEV、PHEV和HEV電池。
#7.Elithion’sLithiumatePro
Elithion將BMS的任務(wù)劃分為兩個部分，一個是稱為LithiumProMaster的PMU控制器，另一個是用于單個電芯的多個cell-boards（CMU+MMU），或是用于多個電芯的multiplecell-boards（CMU+MMU），最多可處理16節(jié)串聯(lián)電芯。最大電池包電壓可達(dá)840V，可適用于所有電動汽車。
#8:ElectricVehiclePowerSystemTechnologyCo.,Ltd.–EVPST–BMS-1
BMS-1包含一個具有PMU特性的控制模塊（CM）和多達(dá)四個具有MMU和CMU特性的測試模塊（TM）。圖5顯示了該BMS的框圖。
圖5EVPSTBMS-1框圖
#9:FordFusionHybrid’sBMS
福特采用單一的集中式BMS，滿足了Fusion混合動力車的所有電池相關(guān)任務(wù)，電池中76個串聯(lián)電芯加起來的總系統(tǒng)電壓為275V。
#10:Hitachi’sChevroletMalibuEco-BMS
32個串聯(lián)電芯組合在MalibuEco電池包，總壓為115V，該系統(tǒng)由一個單一的集中式BMS監(jiān)管。
#11:I+MEACTIA
I+MEACTIA的BMS由一個主板和6個從板組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯然是一個模塊化的主/從架構(gòu)，旨在用于不同的EV。
#12:JTTElectronicsLtd.S-line
JTTElectronics為汽車應(yīng)用供應(yīng)了兩種不同的系統(tǒng)：S系列BMS由4個不同的集中式獨(dú)立模塊組成，適用于小型不同的電池規(guī)格（S1、S2、S3、S4），電壓分別為55、110、165和200伏。
#13:JTTElectronicsLtd.X-line
關(guān)于較大的車輛，或在一般應(yīng)用中要更高的電壓水平，JTT供應(yīng)X系列，該系列結(jié)合了一個X-BCU主板和幾個X-MCUP從板來實(shí)現(xiàn)BMS的所有必要功能。
#14:LGChem’sChevroletVolt-BMS
LG化學(xué)的模塊化BMS由一塊主板和四塊從板組成，為雪佛蘭的Volt電動汽車供應(yīng)監(jiān)測。
#15:LianInnovative’sBMS
Lian的BMS使用模塊化架構(gòu)，包括一個功率控制單元（PCU），一個中央控制器單元（CCU）和電芯板（CB），無論是InnoCab,InnoLess，或InnoTeg。功率控制單元測量電池組電壓和電流，并連接/斷開電池與負(fù)載/充電器的連接，中央控制單元管理所有牽引應(yīng)用和高達(dá)900伏的剩余PMU任務(wù)。Innoless內(nèi)部為無限電芯板，每塊板分別連接到一節(jié)電芯。InnoCab也做了同樣的事情，但是是有線的，而InnoTeg板是一個有線的解決方案，每塊板可以測量5節(jié)電芯。圖6為該BMS的框圖。
圖6LianInnovative’sBMS框圖
#16:LithiumBalance’sS-BMS
S-BMS系統(tǒng)由主板-電池管理控制單元-和監(jiān)控板-本地監(jiān)控單元組成。S-BMS和S-BMS9-16顯示了一個傳統(tǒng)的主/從架構(gòu)，在不同的板上具有MMU+CMU和PMU功能。然而，S-BMS能夠適用于高達(dá)1000V的電動汽車電池包。
#17:LithiumBalance’sS-BMS9-16
相比之下，模塊化的S-BMS9-16只能使用于總壓為48V的電池包。監(jiān)測由兩個本地監(jiān)控單元和一個電池管理控制單元完成。
#18:ManzanitaMicro’sMk3x-line
Manzanita供應(yīng)三種不同大小的集中式BMS——Mk3鋰離子電池BMS。每個系統(tǒng)的多個板可連用以新增系統(tǒng)的最大電池包電壓。總之這些BMS可以管理120（Mk3x4smt）、240（Mk3x8）或254（Mk3x12）節(jié)串聯(lián)電芯，適用于任何汽車應(yīng)用。
#19:MitsubishiiMiEV’sBMS
三菱的BMS采用模塊化架構(gòu)，由一個主板和11個從板組成。每個從板能夠監(jiān)控8個串聯(lián)電芯，這使得三菱iMiEV的電池包總壓為330V。
#20:NavitasSolutions’WirelessBMS(WiBMS)
Navitas供應(yīng)了一個可適用于所有電動汽車的模塊化BMS，包括一個主控和多個從控。該BMS的特點(diǎn)是從控和主控之間通過無線協(xié)議（無線局域網(wǎng)）通信，并有可能達(dá)到超過1000V的電池包電壓。圖7中顯示了該BMS的框圖。
圖7NavitasBMS框圖
#21:OrionBMS–ExtendedSize
OrionBMS是一個集中式系統(tǒng)，可以選擇連接多個串聯(lián)板（分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），從而實(shí)現(xiàn)電壓高達(dá)2000V的更大系統(tǒng)。所有的電力牽引應(yīng)用都可以使用該BMS進(jìn)行管理。
#22:OrionBMS–Junior
OrionJrBMS是一個較小的版本，不能形成分布式架構(gòu)，設(shè)計(jì)用于包括48V的輕型移動牽引裝置在內(nèi)的應(yīng)用。
#23:PrehGmbH’sBMWi3-BMS
Preh為寶馬i3供應(yīng)了一個模塊化的BMS系統(tǒng)，包括一個主控板和8個從板。每個從板可以監(jiān)控12個串聯(lián)電芯，共96個串聯(lián)電芯，電池包總電壓為360V。
#24:REAPSystems’BMS
REAPSystems生產(chǎn)集中式的鋰離子電池BMS，能夠形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)并應(yīng)用于電動汽車，所有單板均可處理14個串聯(lián)電芯。
#25:SensortechnikWiedemann’s–STW–mBMS
STW的mBMS是一個模塊化的三部分系統(tǒng)。它的組成部分包括一個具有PMU功能的電池主監(jiān)控器（SOC/SOH估計(jì)）和一個功率測量板（PMB）（電壓/溫度/電流控制），它還完成一些PMU任務(wù)，例如斷開開關(guān)、電流監(jiān)測和幾個電芯采集電路（CSC）。該BMS的最大適用電壓為800V，能夠用于所有電力牽引應(yīng)用。圖8中顯示了該BMS的框圖。
#26:TeslaMotors’ModelS-BMS
另一個典型的模塊化、主從架構(gòu)的例子是特斯拉汽車公司ModelS的BMS。所有16個從控都能夠測量6個串聯(lián)電芯的電壓，從而得到一個400V的系統(tǒng)，其中96個電芯持續(xù)工作。
#27:Tritium’sIQBMS
Tritium的IQBMS也代表了一種典型的主/從架構(gòu)，其中有一個電池組管理單元（BMU）充當(dāng)主單元，還有幾個電芯管理單元（CMU），它充當(dāng)從單元。多達(dá)256個電池可以串聯(lián)起來形成一個1000V的電池組。
#28:ValenceU-BMS
Valence供應(yīng)了四種不同電池尺寸的集中系統(tǒng)變體：U-BMS-LV、U-BMS-LVM、U-BMS-HV和U-BMS-SHV。U-BMS-LVM允許多個單元連接到分布式系統(tǒng)，最高可達(dá)1000V。其他的用于150V（LV）、450V（HV）或450V（HV）的汽車應(yīng)用。
#29:VentecSASi-BMS8-18S
iBMS8-18s是Ventec唯一用于小型電動汽車的BMS。它有一個集中的分布式結(jié)構(gòu)，每個模塊處理18個單元，電池包總壓包壓限制在1000V。
#30:Altera’sBMS
Altera供應(yīng)了一個靈活可以由客戶配置的基于fpga的控制平臺，從而提高了性能和效率。它能夠用卡爾曼濾波器估計(jì)96個串聯(lián)電芯的SOC、SOH。
#31:Fraunhofer’sfoxBMS
Fraunhofer的foxBMS是一個靈活的基于fpga的BMS平臺，它通常與foxBMSmaster和foxBMSslave一起工作。但是也有可能不考慮從系統(tǒng)，從而得到一個集中式架構(gòu)的系統(tǒng)，其中主模塊也包含CMU和MMU功能。
#32:LIONSmart’sLi-BMSV4
LIONSmart系統(tǒng)的BMS由主控模塊LION和多個從控模塊LION組成，采用典型的CMU/MMU組合單元和單獨(dú)的PMU單元的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。技術(shù)上可以連接16個從板，每個從板12個串聯(lián)電芯，最終形成一個電池高達(dá)800伏的電動汽車電池包。Li-BMSV4供應(yīng)了一個基于客戶軟件調(diào)整的開放源代碼。
硬件拓?fù)?/p>
電池管理系統(tǒng)的一個顯著特點(diǎn)是其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如上所述，這包括不同結(jié)構(gòu)和組織板子，這些板子是完成管理系統(tǒng)的所有任務(wù)所必需的。首先，各種被檢測的制造商及其BMS被劃分為模塊化和集中化。此外，可以將集中式系統(tǒng)分組為可用于構(gòu)建分布式拓?fù)涞腂MS和不能構(gòu)建分布式拓?fù)涞腂MS（見表2）。
表2不同結(jié)構(gòu)BMS
接下來，分析了可用BMS列表的其他顯著特性。然而，由于缺乏一些BMS的技術(shù)細(xì)節(jié)，并不是所有必要的信息都是可用的，因此不可能得出所有這些特性的結(jié)論。
拓?fù)渑c操作目的
現(xiàn)有的BMS系統(tǒng)包括29個不同制造商的32個系統(tǒng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其中10個系統(tǒng)具有集中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而22個系統(tǒng)具有模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，這10個集中式BMS系統(tǒng)中的一些可以細(xì)分為不同的集中式變體?？紤]到不同電壓等級集中式BMS的所有變體，在40個BMS中總共有18個集中式系統(tǒng)。由于模塊化架構(gòu)不要顯式不同的變體來實(shí)現(xiàn)對不同級別電池包電壓的控制，因此添加所需的PMU或CMU板就足夠了。如前所述，集中式系統(tǒng)為特定的需求供應(yīng)了一種簡單且成本有效的解決方案，但可伸縮性有限。
分析表明，只有7個BMS沒有明確打算在純電動汽車應(yīng)用；因此它們不能在高壓下工作。其中5個具有集中的結(jié)構(gòu)。此外，在分析中考慮的22個模塊化BMS中，有20個用于管理純電動汽車的電池組。18個集中系統(tǒng)中有13個只適用于200伏及以下的應(yīng)用。
盡管其中一些集中式BMS允許互連，從而建立更大的分布式拓?fù)?，但高壓?yīng)用程序更可能由模塊化BMS處理，部分原因是與電壓級別低的幾個子系統(tǒng)相比，在集中式系統(tǒng)中處理絕緣問題更具挑戰(zhàn)性，日產(chǎn)Leaf的360V系統(tǒng)是個例外。然而模塊化系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)是要大量的通信和電源電路，因此相對較高的成本。
關(guān)于具有多個集中板實(shí)例的分布式系統(tǒng)，成本開銷甚至更高，因?yàn)榘迳喜豢杀苊獾卮嬖谌哂嘟M件。這可能就是為何這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在本研究中沒有得到廣泛應(yīng)用的原因。
額外的應(yīng)用
不同的應(yīng)用對BMS的要求似乎常常相似，因?yàn)榱斜碇械脑S多BMS能夠在至少一個額外的操作上下文中工作。在30個批量生產(chǎn)的中試bms中，有25個除了用于汽車之外，還被廣告用于其他應(yīng)用，如固定存儲、電源備份或海上交通工具。
電芯化學(xué)
使用具有不同電芯化學(xué)性質(zhì)的BMS的重要限制因素是每個CMU通道可測量的最大電芯電壓。鋰鐵磷電池的最大電壓為3.65伏，是所有鋰離子電池化學(xué)反應(yīng)的最低電壓之一，而廣泛分布的鎳錳鈷電池的最大電壓為4.2伏。因此，所有鋰鐵磷電池都可以由任何列出的鋰離子BMA管理。在分析的30個試點(diǎn)批次電池管理系統(tǒng)中，有28個可以運(yùn)行所有常見的鋰離子電池化學(xué)成分,只有兩種系統(tǒng)專門用于鋰鐵磷酸鹽電池。
通信接口
幾乎所有經(jīng)過考慮的BMS都至少使用一條CAN總線通信線路，只有ManzanitaMicro（#18）和NavitasSolutions（#20）的BMS沒有證據(jù)表明可以通過CAN總線通信。CAN總線廣泛使用的原因可能是在汽車環(huán)境中易于與其他控制器接口，這些控制器通常已經(jīng)使用CAN通信。
無線BMS（例如#20）布局可以用無線網(wǎng)絡(luò)取代模塊之間的內(nèi)部通信，具有潛在的優(yōu)勢，包括減少組裝過程中的線束、連接器和布線工作。然而，無線BMS面對的一個挑戰(zhàn)是汽車內(nèi)部和外部實(shí)體電磁噪聲對無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，可能會產(chǎn)生安全問題。
其他功能
許多系統(tǒng)供應(yīng)附加的基于PC的軟件來調(diào)整BMS設(shè)置和參數(shù)，這些工具關(guān)于試點(diǎn)或小批量系列和開放的研究平臺尤其重要。
市場區(qū)域
39種BMS改型中，有37種來自西歐、北美、日本或我國的制造商。唯一值得注意的兩個例外是總部位于澳大利亞的Tritium（排名第27）和韓國的LG化學(xué)（排名第14）。
