BMS

電源管理系統

根據國際能源署的報告，2016年在全球行駛的電動汽車達到了200萬輛，到2020年全球電動汽車的保有量將增長到900萬-2000萬，而這個數據在2025年將增加到4000萬-9000萬，市場成長的加速度驚人。

不過同時會把人們“驚”到的，還有不時見諸報端的電動車安全事故。有人將2010年以來中國發生的49起電動汽車事故進行了分析，發現有50%都與“電池”相關。這也難怪，作為電動汽車“心臟”的電池組，是由數以千計的單體鋰電池構成的。鋰電池是目前能量密度最高的可商用的電池技術，據估算2017年全球鋰離子動力電池的需求量大約為50GWh。而鋰電池的“魔性”在于鋰材料天生的不穩定性，如果遇到過充、過放、過溫等使用中的問題，或者是制造工藝、結構材料方面的影響，就很可能發生燃爆事故。所以既要讓鋰電池為電動汽車提供強勁的能量，又要將其充滿“魔性”的電化學反應過程很好地管控起來，這就需要一個大神級的角色出場。它就是BMS（電源管理系統）。

BMS是伴隨著電動汽車的發展而發展起來的一個新技術，但由于“汽車”這個產品特殊的安全性要求，所以人們對于BMS的功能也給予了更多的厚望：BMS需要具有防止過充、避免過放、溫度控制、保持電池組件電壓和溫度平衡、預測電池的剩余電量和剩余行駛里程等功能；同時，BMS還要具備實時監控并調整電池管理狀態的能力、與多個平行子系統同步協調工作的能力。簡言之，BMS就是對動力電池進行監測、分析、控制、反饋的一整套監控系統，確保動力電池高效和安全地運作，是BMS的核心職責所在。

從BMS的技術架構來看，其最核心的功能包括：

• 準確的電池狀態估測。即對電池組的SOC（荷電狀態）、SOP（功率狀態）和SOH（健康狀態）等參數做出準確的測量和估算，可以完成動態監測，對每塊電池的狀態做出診斷，為其建立使用歷史數據檔案，為數據分析和控制決策提供依據。

• 能量均衡。由于實際工作中電池組中的每個電池性能表現會出現差異，這種差異會對電池的壽命和系統的使用產生不良影響，所以需要通過能量均衡的手段去彌補電池個體之間的差異，確保其一致性，對電池組進行持續動態的“保養”。目前BMS中采用的有主動均衡和被動均衡兩種能量均衡策略，它們各具特點（詳見表1）。

• 保護功能。具備可靠的過充、過放保護，過流、過溫、低溫保護，多級故障診斷保護，確保在故障發生時能夠做出快速響應。

• 數據通信功能。通過CAN總線或其他方式建立數據通信機制，并向顯示系統、整車控制器、充電機等外部設備傳輸數據，甚至可以配備無線傳輸功能，連接至云端。

表1，被動均衡和主動均衡技術策略比較

為了支撐BMS的上述功能，各個技術廠商都在積極開發產品和解決方案。比如Maxim Integrated的MAX14920/MAX14921電池測量模擬前端器件，可以支持高精度采樣電池電壓，并提供電平轉換，可支持多達16節/+65V （最大）的主/輔電池組，通過外部的FET驅動器可支持被動電池均衡。

如果說Maxim Integrated提供的是高性能“單品”，Texas Instruments（TI）提供的則一道“套餐”。基于其TI的bq76PL455A-Q1集成式 16 節電池監視和保護器件，可搭建一套完整的被動電池均衡解決方案。bq76PL455A-Q1可監視和檢測包括過壓、欠壓、過熱和通信故障等多種故障，最多允許十六個 bq76PL455A-Q1 器件通過單個UART接口與主機通信。

圖，TI的被動電池均衡方案

NXP憑借其完整的汽車電子產品線，可提供包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網絡高速收發器、系統基礎芯片SBC等在內的完整的電池管理系統解決方案，通過該方案客戶可管理高達800V以上的高壓。

圖，NXP整體BMS解決方案

除了上述芯片級的“硬功夫”，設計一個BMS系統還需要相應的“軟實力”，即核心算法的開發。一個優秀的算法，不僅可以提高對電池組狀態估測的精確度，還會具有很強的糾錯能力，從而抵消可能由于電池品質等硬件因素造成的影響，使得對一致性不太好的電池同樣能夠實現精確控制，從而節省整體系統成本。算法的優劣還體現在其所需的硬件資源開銷上，高效的算法只需少量的CPU計算資源即可完成，大大提升了系統的效率。

根據預測，到2020年中國車用動力電池的市場規模將達到1200億元，屆時國內電動車用BMS的市場規模將達170億元。盡管BMS在整個電動汽車中的成本比重并不高，但為了確保動力電池不會成為“炸彈”，開發者確實應該將BMS視為一個“神”一樣的存在，讓其深深地根植在電動汽車的設計理念中。