BMS系统：优化锂电池并联管理的关键技术

BMS系统：优化锂电池并联管理的关键技术

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CSDN

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来源

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https://blog.csdn.net/kingboj/article/details/134274671

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https://blog.csdn.net/m0_63752958/article/details/136605103

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https://forum.monolithicpower.cn/t/topic/4639

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https://news.21dianyuan.com/detail/58904.html

随着锂电池在电动汽车、储能系统等领域的广泛应用，如何高效管理并联电池组成为了一个重要课题。电池管理系统（BMS）作为控制充电和放电电路的形式化系统，主要功能是保护电池免受过流、过放、过充等破坏，还能监控电池性能和状态。

BMS通过装置在电池组中的传感器实时监测各单体电池的电压、电流和温度等参数，及时掌握电池的运行状态。当电池组中的单体电池在充放电过程中出现性能偏差时，BMS会自动启动平衡功能，调整各单体电池的状态，保证电池组的整体性能。BMS设有多重保护机制，如过充保护、过放保护、过温保护等，以防电池因异常状态导致性能下降或损坏。

BMS工作流程主要包括以下步骤：上电使能，系统启动时激活进入工作状态；模式判断，根据车辆控制单元（VCU）和充电控制系统（CCS）的唤醒信号，判断进入行车模式还是充电模式；系统初始化，包括 PIT 中断自检、时间溢出中断自检、CAN 收发自检和 LECU 通信自检等；自检流程，对电池组单体电压温度、总电压、电流、绝缘情况等进行自检；故障码置位，自检过程中发现问题置位相应故障码；模式切换，根据充电机 CAN 报文和 VCU 报文决定系统模式；SOC 估算，使用 Kalman 滤波算法求初始 SOC；预充电流程，进入充电模式执行预充电，合闭预充电继电器及正、负极继电器；启动命令处理，根据行车或充电模式处理启动命令；VCU 和 CCS 通信故障处理，执行相应故障处理流程；充电控制，在充电模式下根据充电开关状态等控制充电继电器合断。

BMS配套的主要电子配件有：智能电池传感器（IBS），可以测量电池的端电压、电流和温度，并计算出电池的状态。BMS通常由中央处理单元（主控模块）、数据采集模块、数据检测模块、显示单元模块、控制部件（熔断装置、继电器）等构成，一般通过采用内部CAN总线技术实现模块之间的数据信息通讯。此外，AFE（模拟前端芯片）即电池的采样芯片，主要用来采集电芯电压、电流等；MCU（微控制器芯片）主要对AFE采集来的信息进行计算和控制。

BMS实现电池性能平衡主要有被动均衡和主动均衡两种方式。被动均衡的基本原理是通过电阻将电量较高的电池中的多余能量转化为热量，从而降低电量高的电池的电量，使其与电量低的电池保持一致。被动均衡设计简单，成本较低，易于实现，但能量损耗大，效率低，长时间使用会导致电池组的发热增加，可能影响电池的使用寿命。主动均衡则采用能量转移的方式来实现均衡，即通过将电量较高电池中的能量转移到电量较低电池中。主动均衡系统监测到电池组内电芯的电量差异后，会通过专用的均衡电路，将电量高的电池的多余电量转移到电量低的电池。这种能量转移可以通过多种方式实现，如使用电感、变换器等，使电能在电芯之间流动。最终实现电池组内电芯的电量均衡，提升整体性能。主动均衡整体能量利用效率高，减少了热损耗，电池组的温度较低，延长了使用寿命，但设计复杂，成本较高，系统控制较难。

在并联锂电池管理中，BMS系统发挥着至关重要的作用。并机流程由主机发起，主机判断当前系统下各BMS的状态是否满足并机条件。并机状态分为两种：放电继电器与充电继电器全部处于断开状态，认为脱离并机；充、放电继电器只要有 一个处于闭合状态，认为处于并机状态。并机策略优先并入无故障且总压最低的电池包。

并机的重要步骤包括：

1. 第一次并机时，先查找总压最低的一台并上来。选择电压最低的一台并机的原因有三：平衡电池组的电压；避免电池损坏；保护系统稳定性。
2. 非第一次并机时，需要满足压差条件：MaxDiffV ≤ 3V 且 MinDiffV ≤ 3V。依次检测在线但未并入设备的总压SumV_x是否与已并机成功设备中最高总压MaxSumV的压差|MaxSumV - SumV| = MaxDiffV、已并机成功设备中最低总压MinSumV的压差|MinSumV- SumV| = MinDiffV，如果满足条件 MaxDiffV ≤ 3V 且 MinDiffV ≤ 3V，则将改设备加入并机。

这种并机策略确保了电池组在并联使用时的稳定性和安全性，即使某个单元出现故障，其他单元仍能继续输出电能，提高了系统的可靠性和安全性。

为了规范BMS系统的设计和应用，中国制定了GB/T 38661-2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》。该标准规定了BMS系统的详细性能指标，包括：

• 电压测量精度：±0.5%
• 温度测量精度：±1°C
• SOC估计精度：±5%
• 电池均衡电压差：≤50mV
• 过充/过放/过电流/短路保护响应时间：≤1ms
• 工作温度范围：-20°C至60°C

这些指标对BMS系统的性能提出了严格要求。例如，电压测量精度±0.5%意味着在100V的测量范围内，误差不能超过0.5V；温度测量精度±1°C则要求在各种环境条件下都能准确测量电池温度。

实现这些指标的技术难点主要包括：

1. 高精度传感器的选择和校准
2. 快速响应的保护电路设计
3. 高效的电池均衡算法
4. 稳定可靠的通信系统

随着电动汽车和储能系统市场的快速发展，BMS系统的重要性日益凸显。未来，BMS系统将朝着以下几个方向发展：

1. 更高的集成度：将更多的功能集成到单个芯片中，减小系统体积，降低成本
2. 更高的精度：采用更先进的传感器和算法，提高测量和估算精度
3. 更强的智能化：通过机器学习等技术，实现更精准的电池状态预测
4. 更好的安全性：开发更可靠的保护机制，确保极端条件下的安全运行

BMS系统作为锂电池并联管理的核心，其技术进步将直接推动整个电池行业的快速发展。通过不断优化BMS系统，我们可以实现更高效、更安全、更可靠的电池应用，为电动汽车和储能系统的发展提供坚实的技术支撑。