深度解析电池管理系统BMS：工作原理、流程及主要电子配件

深度解析电池管理系统BMS：工作原理、流程及主要电子配件

电池管理系统（BMS）是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工作原理

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：

1. 上电使能：系统启动时激活进入工作状态
2. 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
3. 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
4. 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
5. 故障码置位：自检过程中发现问题置位相应故障码
6. 模式切换：根据充电机 CAN 报文和 VCU 报文决定系统模式
7. SOC 估算：使用 Kalman 滤波算法求初始 SOC
8. 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
9. 启动命令处理：根据行车或充电模式处理启动命令
10. VCU 和 CCS 通信故障处理：执行相应故障处理流程
11. 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主要电子配件

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，还包括：

• 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
• 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如何保护电池免受过流破坏

BMS对电池过流保护主要通过以下方式实现：

• 由于电池系统中电池组的输出电流较大，发生过流的可能性较高。在BMS中，当监测到电流突然增加时，会快速响应
• TVS管可以用于过流保护，它能够提供一个低电阻通路，将多余的电流绕过其他敏感元件，保护它们免受电流过大的损害
• BMS监控电池模块的持续电流和峰值电流，确保电流水平不会超过预设的安全限制
• 当电流达到其安全阈值时，BMS通过与车辆控制系统的交互，立即采取行动减少电流，如减少电动机的转矩，从而防止电池受损
• 在极端情况下，如短路，BMS会迅速切断电源，防止严重的电池损伤或火灾风险

BMS如何实现电池性能平衡

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：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。这种设计简单，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：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。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

BMS工作流程中的模式判断依据

BMS的控制流程是电动汽车能量管理的关键环节，确保电池安全、有效地运行。BMS的模式判断主要依据车辆控制单元（VCU）和充电控制系统（CCS）的唤醒信号。当VCU唤醒时，系统进入行车模式；当CCS唤醒时，系统进入充电模式。

系统启动时，首先进行上电使能，激活系统进入工作状态。然后进行系统初始化，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。接着进行自检流程，包括电池组单体电压温度自检、电池组总电压、电流、绝缘情况自检。如果自检过程中发现问题，将置位相应的故障码。根据充电机CAN报文和VCU报文的情况，决定系统是继续保持行车模式还是切换到充电模式。在充电模式下，根据充电开关状态（ON/OFF）、CCS的检测结果及充电机的状态，控制充电继电器的合断，进而控制充电过程。

BMS配套电子配件中IBS的作用

BMS的关键元件是智能电池传感器（IBS），它在BMS中起着重要的作用。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借助专用的负载管理算法为车身控制模块（BCM）提供电池状态信息，BCM通过对发电机和DC/DC转换器进行控制来稳定和管理供电网络。DC/DC转换器为汽车内部的各个用电部件分配电能。

IBS即便是在最恶劣的条件下以及在整个使用寿命中都能以高分辨率和高精确度测量电池电压、电流和温度，从而正确预测电池的充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和功能状态（SoF）。这些参数定期或根据要求通过已获汽车行业认证的车载网络传送至BCM。除上述功能与参数性能外，对IBS提出的关键要求包括：

• 低功耗
• 能够在恶劣的汽车环境中（即EMC、ESD）工作
• 进行汽车OEM厂商验收的车载通信接口一致性测试（即LIN）
• 满足汽车等级测试限制（针对被测参数的6σ限制）
• 符合AEC-Q100标准要求

BMS构成模块如何进行数据通讯

BMS主要由主控模块、高压模块和从控模块三部分组成。目前，汽车BMS主要应用的内部通信协议包括CAN FD、菊花链、蓝牙和红外等。基于CAN通信协议的BMS，CAN总线是一种广泛应用于汽车和工业领域的现场总线协议，在BMS系统中CAN总线常用于连接BMS与电机控制器、充电器等车载系统，同时CAN也可以用于BMS系统内部的通信。

在BMS系统内，CAN通信构建了一种多节点总线通信结构，也是一种主从结构，由中央控制器与多个外设组成，通过基带物理层的双绞线进行数据传输，具有较高的实时性和抗干扰能力。

主控模块给所有从控模块发送在线查询指令，确认各从控模块的连接是否正常；当各从控模块连接正常时，主控模块按照召测周期t向对应的从控模块发送数据召测指令，单个召测周期内同时召测的m个从控模块将电池信息发送给主控模块，直至召测和处理完所有的从控模块数据，m和t的值根据不同客户的需求来进行设置。当主控模块和从控模块的配置信息不一致时，则进行报警。配置信息包括从控模块负责采集的单体电压个数、温度个数以及总报文个数。

主控模块在完成一次从控模块信息统计后，根据故障状态调整单个召测周期内同时召测从控模块的个数m和召测周期t。配置信息以及召测周期t和单个召测周期内同时召测从控模块的个数m通过软件写入主控模块。主控模块和从控模块之间通过CAN总线连接，数据传输可靠稳定、数据传输速度快。

BMS中AFE和MCU的功能

在BMS中，AFE（模拟前端芯片）和MCU（微控制器）起着关键作用：

• AFE模拟前端芯片用来采集电芯电压和温度等信息，同时还要支持电池的均衡功能，通常来说该芯片会集成被动均衡功能
• BMS中的MCU芯片起到处理BMS AFE芯片采集的信息并计算荷电状态（SOC）的作用。SOC是电池管理系统中较为重要的参数，其余参数均以SOC为基础计算得来，因此电池管理系统对MCU芯片的性能要求较高

MCU在BMS中相当于大脑。MCU通过其外围设备从传感器捕获所有数据，并根据电池组的配置文件处理数据以做出适当的决策。微控制器单元（MCU）具有以下功能：

• 监控电池
• 保护电池
• 评估电池状态
• 优化电池性能
• 数据记录
• 通过通信渠道向用户或外部设备报告

为了电池安全，MCU具有以下功能：

• 通过停止充电的方式，防止电池组内的电池单元进入过压状态（向接触器发出关闭信号）
• 通过减少/停止电流或激活电池组中的冷却系统来防止电池组内的电池单元温度超过阈值上限
• 通过限制/停止放电电流来防止组内电池单元进入欠压状态
• 通过打开接触器来保护电池组免受短路和过载的影响

电池管理系统（BMS）在电动汽车和各种电池应用中起着至关重要的作用。它通过多种方式保护电池免受过流等破坏，实现电池性能平衡，根据特定的判断依据切换工作模式，借助智能电池传感器（IBS）等电子配件准确监测电池状态，各构成模块之间通过有效的数据通讯协同工作，其中AFE和MCU分别承担着重要的功能。BMS的不断发展和完善，将为电池的安全、高效运行提供更加可靠的保障，推动新能源产业的持续进步。