—— 概述
电池管理系统(BMS)监控电池组中各单体电池的状态，管理电池组的使用过程，维持电池组中单体电池的状态一致性，从而起到保障电池安全，提高电池寿命的作用。国内外所有上市的电动汽车（包括纯电动汽车与混合动力汽车）都装备了BMS，BMS已经成为现代电动汽车的关键零部件之一。
—— 基本功能
• 电池单体电压、电流、温度信号采集
• 绝缘电阻检测
• 电池单体一致性均衡
• 电池荷电状态SOC/健康状态SOH估算
• 过流、过压、过热保护 |
• 动力母线预充电控制
• 智能充电控制
• 电池组总电压、电流信号采集
• 电池组热管理 |
—— 系统架构
本方案使用主从式的BMS系统架构，即一个主控模块+若干采集模块的方式，主控模块与采集模块之间通过CAN通信，如下图所示。主从式BMS布局灵活，方便检修，便于日常维护，适用于各类纯电动汽车与混合动力汽车。
—— 软件方案
由于BMS功能的多样性与复杂性，BMS软件十分复杂，为适应不同的车型以及同一车型的升级换代，软件还需要反复修改，这对软件开发者提出了一大挑战。如果使用传统手工编程的开发方式，开发工作量巨大，软件的可维护性较差，造成开发周期与开发成本的不可控。本方案使用了全自动代码生成的软件开发方式，整个控制器的软件代码都由ECUCoder自动代码生成工具生成，控制器软件开发的整个过程都以图形化建模的方式来实现，用户无需手工编程，无需手工代码集成，也无需代码移植。
全自动代码生成可以有效提高开发效率，大幅削减控制器软件开发的工作量。在绝大部分应用中，借助全自动代码生成技术至少可以缩短50%开发周期，降低80%开发成本。
使用ECUCoder作为BMS软件开发解决方案的优势主要包括：
• 自动代码同时生成基础软件与应用软件，无需手动集成
• 功能强大的GUI界面，可直接从模型访问并配置整个基础软件
• 代码可靠，代码可读性与执行效率良好折中
• 同时提供芯片级模块库与控制器级模块库，支持用户自主开发的控制器硬件
在BMS软件中，将BMS的基本状态分为上电、就绪、高压关闭、高压预充电、高压使能、故障等几种状态，各种状态的转换逻辑如下图所示：
BMS基本状态转换逻辑
—— 关键技术
电池均衡：
由于电池制作工艺等原因，不同电池单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异导致即便串联蓄电池组每个单体的充放电电流相同，也会使每个单体的容量产生不同，进而影响整个电池组的工作。最坏的情况，在一个蓄电池组中，有一个单体的剩余容量接近为100%，另一个单体的剩余容量为0，则这个蓄电池组既不能充电也不能放电，完全不能使用。因此对电池容量的均衡是非常重要的，尤其是在电动汽车大量电池单体串联使用的情况下。
电池均衡的方式有很多种，按照使用的元器件不同可以分为电阻均衡，电容均衡，电感均衡，变压器均衡与DCDC均衡，按照能量去向不同可以分为被动均衡与主动均衡。
被动均衡效率低，但是系统复杂度低，成本低，适用于中小容量电池组的均衡；主动均衡效率高，但是系统复杂度高，成本高，适用于大容量电池组的均衡。本方案根据用户所用电池组的容量、均衡效率以及成本综合考虑，选用被动均衡或者主动均衡。被动均衡将容量较多的电池电量通过电阻消耗来达到均衡，主动均衡将容量较多的电池电量转移到容量较少的电池达到均衡，两种均衡方式的对比如下图所示：
被动均衡与主动均衡的比较
SOC估算：
电池的荷电状态SOC描述了电池的剩余电量，是电池在使用过程中最重要的参数之一。准确估计SOC可以防止电池的过充电或者过放电，有效延长电池的使用寿命，并且在电动汽车的行驶中可以预知可续驶里程。由于SOC估算受温度、老化、充放电倍率、自放电等因素的影响，使得电池在实际应用中呈现为高度的非线性，导致SOC的精确估算十分困难。关于锂电池的部分特性，如图所示：
SOC的估算方法较多，主要包括：
• 放电试验法
• 安时计量法
• 安时计量法
• 负载电压法 |
• 内阻法
• 模糊逻辑法
• 神经网络法
• 卡尔曼滤波法 |
以上各种方法在电动汽车上应用时，都存在一定的缺陷：放电试验法需要中断电池的正常充放电；安时计量法存在误差累计；开路电压法动态误差较大；内阻法受温度影响较大；模糊逻辑法依赖工程经验；卡尔曼滤波法依赖精确的电池模型。
SOC估算方法
本方案采用一种以安时计量法为基础，利用电池静止状态下的开路电压法来消除累计误差的SOC估算方法，其关键在于电池充放电状态与静止状态的准确判断。试验结果表明，采用此SOC估算方法，SOC估算误差在5%以内。
通信协议：
本方案使用基于CAN总线的通信方式，主要包括3部分：
• BMS内部主控模块与采集模块之间的CAN通信；
• BMS与整车控制器等动力系统控制单元的CAN通信；
• BMS与非车载充电机之间的CAN通信。
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