為了保護(hù)電芯和整個(gè)電池包不受放熱反應(yīng)的影響，需要一個(gè)電子**電路，即電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS重要的功能是**防護(hù)，使電池系統(tǒng)中電芯的電壓、溫度和電流不超過(guò)規(guī)定的極限。一般來(lái)說(shuō)，BMS是一種模擬和/或數(shù)字電子設(shè)備，預(yù)期可達(dá)到以下主要目標(biāo)和要求：
提高電池系統(tǒng)的**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（增加續(xù)駛里程）。
延長(zhǎng)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(gè)領(lǐng)域：傳感和高壓控制、保護(hù)、接口、性能管理、診斷。
在一個(gè)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(gè)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(gè)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€(gè)**變體是主從拓?fù)?。在這里，從機(jī)的功能和元素被減少到小，與整個(gè)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(gè)不同制造商的40個(gè)商業(yè)BMS。39種BMS改型中，有37種來(lái)自西歐、北美、日本或中國(guó)的制造商。其中只有一家位于澳大利亞，其余一家位于韓國(guó)。
分析發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品中有18個(gè)具有集中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有22個(gè)具有模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，在22個(gè)模塊化BMS中，有20個(gè)旨在管理純電動(dòng)汽車的電池組，而18個(gè)集中系統(tǒng)中有13個(gè)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(wèn)題更具挑戰(zhàn)性。日產(chǎn)Leaf的360 V系統(tǒng)是個(gè)例外。然而，模塊化系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是需要大量的通信和電源電路，因此成本相對(duì)較高。
分析表明只有7個(gè)BMS沒(méi)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(gè)中有5個(gè)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(wú)線BMS可以用無(wú)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(shì)包括減少組裝過(guò)程中的線束、連接器和布線工作。然而，無(wú)線BMS面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是汽車內(nèi)部和外部實(shí)體電磁噪聲對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾，可能會(huì)產(chǎn)生**問(wèn)題。
在研制BMS過(guò)程中，為了保證電池系統(tǒng)的**運(yùn)行需要考慮多方面的因素。在過(guò)去的幾十年里，電氣和電子系統(tǒng)的硬件和軟件部分的開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了**標(biāo)準(zhǔn)。
本研究考慮將ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)“道路車輛-功能**”（源自通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508）應(yīng)用于BMS開(kāi)發(fā)。
引言
鋰離子電池存在的問(wèn)題
在過(guò)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(dòng)汽車（EV）的優(yōu)選能源。根據(jù)全球電動(dòng)汽車展望2016年的報(bào)道，插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）電池包的能量密度從2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L，顯著提高400%。另一方面，數(shù)據(jù)顯示同一時(shí)間段內(nèi)成本從1000美元/千瓦時(shí)下降到268美元/千瓦時(shí)，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(jī)。例如，通用汽車（General Motors）宣布，其雪佛蘭Bolt的電池成本在2015年10月降至145美元/千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)到2022年將降至100美元/千瓦時(shí)以下。另一家有名的純電動(dòng)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(shí)的障礙。2022年xEVs的實(shí)際目標(biāo)：125美元/千瓦時(shí)、400 Wh/L和250 Wh/kg，這將使新能源汽車實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車（ICEV）的成本競(jìng)爭(zhēng)力，并具有****的續(xù)駛里程。
然而，盡管鋰離子電池技術(shù)在過(guò)去的十年中表現(xiàn)出色，主要是因?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**的。鋰離子化學(xué)非常容易受到溫度、過(guò)電壓、深放電和過(guò)電流等條件的影響，這些條件在實(shí)際應(yīng)用中可能對(duì)電池造成損傷，因此鋰離子電池需要復(fù)雜的**管理技術(shù)，此外隨著能量密度提升電池的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)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主要**隱患。熱失控往往是在濫用的條件下造成的，例如過(guò)熱、深度放電、大倍率充電特別是低溫時(shí)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(chǔ)存系統(tǒng)中有效和**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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供所需的電壓和電流，許多鋰離子電池必須串聯(lián)或/和并聯(lián)，因此需要確保高壓**和維護(hù)**。
鋰離子電池容量會(huì)隨著使用壽命的延長(zhǎng)而衰減，內(nèi)阻也會(huì)增加，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(huì)影響老化過(guò)程。
串聯(lián)鋰離子電池在正常運(yùn)行過(guò)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?，要么是因?yàn)殡姾缮俚碾娦緵Q定了放電的結(jié)束（即使其他電池包中仍然存儲(chǔ)著可用的能量），要么是因?yàn)殡姾啥嗟碾姵貨Q定了充電過(guò)程的結(jié)束。忽略這兩種極端情況終會(huì)導(dǎo)致深度放電或過(guò)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，因此需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(wèn)題是BMS的永恒研究課題。文獻(xiàn)報(bào)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(cè)。電芯監(jiān)測(cè)主要關(guān)注電芯內(nèi)部狀態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)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主要指標(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(guò)程中如何滿足應(yīng)用的需求，例如功率需求、起動(dòng)能力或充電接受能力等。此外，關(guān)于電芯均衡及其對(duì)電池壽命的影響的研究活動(dòng)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(lái)緩解上述問(wèn)題，但**性本身是一個(gè)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(duì)上述現(xiàn)象的影響。目的是將當(dāng)前先進(jìn)的被動(dòng)**管理轉(zhuǎn)變成一個(gè)能夠提前幾小時(shí)甚至幾天提供**和危害相關(guān)信息模型來(lái)保證車輛司機(jī)的**。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(lái)仍然不會(huì)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(wú)傳感器內(nèi)部溫度估計(jì)。
但**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(xiǎn)事件的發(fā)生，還包括采集、處理、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信，以及對(duì)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(cè)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(wú)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**流程。將介紹與e-mobility電池管理系統(tǒng)相關(guān)的功能**標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果。特別關(guān)注的是ISO 26262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(cè)算法知識(shí)產(chǎn)權(quán)。將深入研究磚利中提出的電芯監(jiān)測(cè)策略實(shí)施的理論基礎(chǔ)。
4、對(duì)電動(dòng)汽車BMS市場(chǎng)的概述。將涉及在世界各地運(yùn)營(yíng)的相關(guān)汽車BMS制造商和供應(yīng)商。
5、將說(shuō)明從對(duì)BMS的新情況分析中得出的一般性結(jié)論以及對(duì)今后活動(dòng)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)的新?tīng)顟B(tài)。
1、BMS概述、分類和分析
1.1 BMS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(shí)含有氧化劑（陰極）和燃料（陽(yáng)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)氣都小。然而在發(fā)生故障的情況下，或者如果電池在規(guī)定的極限（溫度、電壓和電流）之外運(yùn)行，反應(yīng)會(huì)很快失控并放熱。這可能導(dǎo)致熱失控，這是一個(gè)不可逆的過(guò)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(guò)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(xiǎn)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(guò)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(shí)電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規(guī)格極限，老化過(guò)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。對(duì)于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池，放電結(jié)束電壓為2.5 V，充電結(jié)束電壓為4.2 V，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3.7 V。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(guò)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(gè)電芯，也可以在模塊中串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)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(jí)電芯，也可以并聯(lián)幾個(gè)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(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（BEV）或固定存儲(chǔ)應(yīng)用。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469-3將高壓范圍定義為直流電壓為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(kāi)展工作，需要有專門(mén)的培訓(xùn)和證書(shū)。因此電池模塊的設(shè)計(jì)通常是一個(gè)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(guò)程中無(wú)需采取高成本的**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)1000 V。
BMS需求和功能
BMS*重要的任務(wù)**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(guò)規(guī)定的極限，電芯的這些規(guī)范限制通常稱為其**操作區(qū)域（SOA）。
一般來(lái)說(shuō)，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(chǔ)。
電氣管理。
溫度管理。
**管理。
通信。
對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，BMS的關(guān)鍵目標(biāo)和要求如下：
提高電池系統(tǒng)的**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(zhǎng)電池壽命。
前兩項(xiàng)是**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(gè)功能，這些功能可以分為以下五個(gè)方面：
①檢測(cè)和控制：BMS必須測(cè)量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測(cè)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(guò)附加的冷卻或加熱系統(tǒng)防止過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)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(bào)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，它必須在長(zhǎng)久內(nèi)存中記錄異常錯(cuò)誤或?yàn)E用事件，以便技術(shù)人員通過(guò)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），好是對(duì)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：后BMS必須能夠估計(jì)健康狀態(tài)（SOH），包括檢測(cè)濫用，并且可能需要估計(jì)電芯和電池包的剩余使用壽命。