王雪梅
（湖北工业大学工程技术学院，湖北武汉 430064）
摘要：随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，(纯)电动汽车的研发和产品化日益受到各国的关注。电池管理系统 （Battery Management System, BMS）作为电动汽车能量管理中心，在一定程度上成为电动汽车产业化的瓶颈。本文对电动汽车BMS的现状、功能、关键技术和工程化进行了深入探讨，提出了BMS的典型设计方案，对电动汽车BMS工程化有一定的指导意义。
关键词：电动汽车；BMS；智能；网络化
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：2096-4609（2018）13-0223-002
汽车作为现代文明的产物，为推动人类文明的进步作出了巨大贡献，改变了人类的生活和生产方式。与此同时，汽车的普及带来的巨大能源消耗和污染气体排放等问题也日趋严重。随着社会的发展和人类的进步，电动汽车的研发和产品化日益受到各国的关注，各主要汽车生产商均投入了大量的人力和财力进行电动汽车的研究和开发，新产品和新技术不断涌现。电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三种类型。纯电动汽车是完全由二次电池提供动力的汽车。纯电动汽车主要优点是可以节约石油资源，
实现“零排放”，被认为是汽车工业的未来。蓄电池作为电动汽车的动力源，其性能在很大程度上决定了电动汽车的性能指标。蓄电池的能量密度决定了电动汽车一次充电的续驶里程，其功率密度则决定了电动汽车的加速性能和最高车速。此外，动力蓄电池还存在寿命、价格、充电时间、安全性等方面问题。为确保电池性能良好，延长电池组使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制。电动汽车用电池管理系统(Battery Management System，BMS)，以下简称为电池管理系统或BMS，根据电池特性，对电池组实施有效的管理，对于确保电动汽车的安全、保持电池组性能，延长电池组寿命、提高电池使用效率具有重要意义，是电动车产业化的关键技术之一。 一、BMS研究现状
近年来，电动汽车用动力电池领域，尤其是镍氢电池和锂离子电池领域的技术水平的大幅提高，车身、驱动电机也达到了实用化的程度，相比之下电动汽车的电池管理系统和充放电技术还是比较落后，成为电动汽车商业化发展的瓶颈。
（一）BMS国外研究现状
随着近年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，在电池组模型的建立、SOC估计方法、均衡管理、电池专家系统等方面取得了长足的进步，并
成功开发出许多电池管理系统，很多已经成
功应用在产品化的电动汽车上。现在国外正
在开展基于智能电池模块(SBM)的BMS研
究，即在1个电池模块中装入1个微控制器
并集成相关电路，然后封装为一个整体，多
个智能电池模块再与1个主控制模块相连，
加以其它辅助设备，就构成1个基于智能电
池的管理系统。该BMS成功实现对每个电
池模块的状态监测、模块内电池电量均衡和
电池保护等功能。美国Micron公司开发的
军用电动车辆BMS采用的就是这种结构。
（二）BMS国内研究现状
我国在“八五”、“九五”期间，都连
续将电动汽车列为国家重大科技攻关项目，
“十五”期间，更是以产业化为目标，将电
动汽车列为“863计划”重大专项，提出“三
纵三横”研究开发布局。“三横”是指纯电
动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整
车，“三纵”是指电池、电机和控制系统的
关键零部件。与发达国家相比，国内对动力
电池组本身的试验研究还不够充分，电动汽
车中的应用研究还有待进一步深入，很多方
案方法还停留在实验室和仿真阶段，亟待工
程实践和产品化的检验[1]。
二、BMS功能分析
电池管理系统直接检测及管理电动汽车
的电池运行的全过程，包括电池基本信息测
量、电池的充放电控制、剩余电量估计、单
体电池间的均衡、电池故障诊断、安全保护
几个方面。国际电工学会(IEC)在1995年
制定的电池管理系统标准，对电池管理系
统应有的功能提出了以下要求：①剩余电量
(SOC)的显示；②提供电池温度信息；③电
池温度高温报警；④电解液状态(电解液浓
度)的显示；⑤不健康电池早期预报；⑥提
供电池老化信息；⑦电池关键数据记录。
随着电动汽车技术的发展和电池管理系
统研究的不断深入，电池管理系统的功能也
在不断丰富，一般而言电动汽车电池管理系
统要实现以下几个功能：(1)电池组充电控
制，根据用户操作和电池组状态，通过电力
电子变流装置控制电池组的充电电压和电
流，又分为正常充电、快速充电、修复性充
电等充电模式[2]。(2)监测电池参数，即实
时采集电池组中的每块电池的电压和温度、
充放电电流以及电池组电压等参数。(3)SOC
估算，根据采集到的电池电压、温度、充放
电电流，结合电池循环使用情况、电池老化
情况、自放电等诸多因素，估算蓄电池组的
剩余电量(SOC)，并根据汽车当前行驶工况，
预测汽车续驶里程。(4)单体电池均衡管理：
在充放电过程中，均衡电池组中各单体电池
的电压、电量，提高电池组的均衡性，可以
明显提高电池组的能量利用率，延长电池组
寿命。(5)电池故障诊断，根据测得的电池
电压、温度、电流等参数对电池组中品质下
降的电池做出提前预测和报警，以保证蓄电
池正常工作，延长蓄电池的使用寿命。(6)
电池和电动汽车的保护：包括过压保护、欠
压保护、过流保护、短路保护、温度保护、
下限自锁电路等。还要对驱动电机进行保护，
或者与驱动电机的控制器进行保护，抑或电
池管理系统的控制器兼备控制驱动电机的功
能。(7)热管理：通过风扇等冷却系统和热
电阻加热装置使电池组的环境温度处于正常
范围内。(8)专家系统功能：建立每块电池
的使用历史档案，根据这些历史档案给出每
个电池的健康状态及维护信息，为进一步优
化和开发电池管理系统、新型电池、充电器、
电动机等提供资料，为离线分析系统故障提
供依据。(9)通讯功能：电池管理系统通过
通讯接口与汽车的其他系统，如电机驱动控
制系统、车载服务系统等集成在一起；同时
提供与地面充电站的通讯接口。(10)良好的
可视化的人机界面，丰富的提示和报警功能。
三、电池管理系统主要研究内容和关键
技术
电动汽车由电池组提供能源，因此电动
汽车所用电池组的剩余电量(SOC)的准确估
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智库时代科技前沿
算、电池组故障预测与报警、单体电池的均
衡、快速充电等技术是至关重要的，因为它
们决定了电动汽车的续驶里程、安全性、电
池组寿命、综合成本等重要指标[3]。
电动汽车多采用几十甚至上百节单体电
池串联提供动力，在充放电的过程中，串联
电池组的运行工况要比单体电池的情况复杂
的多。这主要是由于串联电池组内各单体电
池的不一致性造成的。目前，电池管理系统
研究领域和需要重点解决的主要问题包括：
(1)电动汽车用动力蓄电池组的特性研
究；(2)串联蓄电池组的充放电方法和均衡
策略；(3)电池组SOC估算方法及模型；(4)
电池状态和故障诊断的专家系统；(5)电池
信息检测及控制系统。目前，电池管理系统
的难点和关键在于：(1)如何根据采集的电
池的电压、温度和充放电电流的历史数据，
建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估测电动汽车蓄电池的SOC 状态。(2)电动汽
车电池的快速充电技术及均衡充电技术。这项技术是目前世界正在致力研究与开发的另一项电池能量管理系统的关键技术。(3)电池管理专家系统的建立，有效预测和报警电池的故障。
四、典型电池管理系统设计
目前，较科学的方案是基于总线的分散数据采集和集中数据处理的方案。通过分散在各电池单元的电池管理芯片，就近完成对电池当前各种状态，包括当前电池的电压、电流、温度等参数的监测；再通过双向数据线与中央控制器通讯，由中央控制强进行电池组SOC的计算、电池故障诊断、充放电控制等数据处理和电池组控制。该控制模式灵活、参数精确度高、布线少。典型的电池管理系统结构框图如图1所示。
一套完整的电池管理系统主要包括主控制器和通讯系统、主充电系统、状态检测系统、均衡管理系统，有的还包括热处理、安全管理、数据保存等功能。
主充电系统的功能就是用能延长电池寿命的充电方法对电池进行充电，目前正负脉冲充电技术被普遍认为能增加VRLA电池的充放电次数，延长电池的使用寿命。电池保护系统是蓄电池智能管理系统所必须的组成部分。在单体电池发生故障的时候，保护系统应该迅速将该电池从电池组中切除。
单体电池的过充电、过放电、长期欠充电、过温对电池的寿命有很大的影响，故应有一套均衡管理系统和温度管理系统来保证在充放电过程中所有单体电池不过充电、不过放电、不欠充电和不过温。
电池的状态检测系统包括对单体电池电压、内阻等信息的采集以及根据这些参数来判断电池的状态。通信系统则包括管理系统内部模块之间的相互通信以及管理系统和上位机的通讯。
主控制器采用DSP或单片机实现，通过
CAN总线、485总线等通讯总线与电池管理
模块、充电机等通讯，同时通过CAN通讯
与整车控制网络相连，实现整车管理系统的
优化。实时监测单体电池电压、电池组电流、
电池温度、电池组总电压，实时估算电池组
的SOC，并建立电池信息专家系统，对电
池进行故障诊断和报警。
（一）测量功能的实现
为了保证蓄电池剩余电量的准确估算以
及即时地预测电池组的故障，必须对电池组
中的每一节电池的端电压、极柱温度作即时、
准确的测量，系统采用分布式测控系统来完
成这部分功能。在每节电池上安装有电池检
测模块。
每个模块以单片机为核心构成分布式测
控系统的一个工作节点，以主监控板上的单
片机芯片作为分布式测控系统的核心。检测
模块通过传感器测量电池极柱温度、电池工
作电压，然后将数据通过通讯总线上传。
多个文献中，均采用“桥电容”技术解
决了蓄电池组单体端电压检测中存在的参考
点选择和被测电池与检测设备隔离的问题。
（二）预警功能的实现
蓄电池管理系统将所测得的电池电压、
温度、电流等参数送入专家诊断程序中处理，
有专家诊断程序对电池组中品质下降的电池
做出提前预测，通过显示模块报警。
（三）估算功能的实现
主控CPU，将由分布式节点测量得到的
电池电压、温度数据，以及测得到电流数据
送入专家系统处理程序，然后采用多参数输
入(电池电流、累积安时数、平均温度、累
积使用时间)综合智能补偿算法得出系统当
前的SOC。
（四）能量管理功能
BMS根据检测到的电池和电动车参数，
控制电池组的充放电过程。保证电池的安全
快速充电，防止电池的过充电和过放电。
（五）均衡功能的实现
在每个电池检测模块上都有均衡充电电
路，根据模块控制器所接到的主控制CPU
的指令利用模块中的均衡电路，将端电压高
或电量高的电池的部分能量转移给其他电
池。从而达到串联电池组的自动均衡。
（六）与整车控制网络的融合
BMS通过CAN与电动汽车整车控制网
络融合，包括电机驱动控制系统、车载服务
系统、烟雾检测系统等，实现整车的综合管
理。同时，提供与地面充电站的CAN通讯
接口，实现电动汽车的地面充电。
（七）其他功能
安全开关作为BMS的一个重要控制输
出，当电池出现严重问题时，通过断开此开
关，切断电池组与负载，保证电池与整车的
安全。
由于电池的使用过程是一个连续长期
的过程，它是由多次充放电组成的，使用
EEPROM可擦除可编程存储器，可以将每
次的充放电数据记录在其中。这样可以在电
池整个生命周期内对电池状态进行分析。
五、结论
BMS高效可靠的运行对于电动汽车产
业化具有非常重要的意义，本文对电动汽车
BMS的结构、功能和典型设计进行了探讨，
有一定的实际指导意义。
【作者简介】王雪梅（1980-），女，硕士，
讲师，研究方向为电气传动。
【参考文献】
[1]张巍.纯电动汽车电池管理系统的研
究[D].北京：北京交通大学,2008.
[2]李海军.电动汽车电池管理系统的研
究[D].淄博：山东理工大学,2008.
[3]滕乐天等.电动汽车充电机(站)设
计[M].北京：中国电力出版社,2009.5-6.
图1典型电池管理系统结构框图
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