為了保護電芯和整個(gè)電池包不受放熱反應的影響，需要一個(gè)電子**電路，即電池管理系統（BMS）。BMS重要的功能是**防護，使電池系統中電芯的電壓、溫度和電流不超過(guò)規定的極限。一般來(lái)說(shuō)，BMS是一種模擬和/或數字電子設備，預期可達到以下主要目標和要求：
提高電池系統的**性和可靠性。
保護電芯和電池系統免受損壞。
提高電池的能量使用效率（增加續駛里程）。
延長(cháng)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、接口、性能管理、診斷。
在一個(gè)集中的BMS中，電芯監控單元、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拓撲結構中，模塊管理單元被劃分為多個(gè)單獨的實(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(xiàn)的復雜性。模塊化拓撲的另一個(gè)**變體是主從拓撲。在這里，從機的功能和元素被減少到小，與整個(gè)電池系統相關(guān)的功能只在主機上實(shí)現。
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、日本或中國的制造商。其中只有一家位于澳大利亞，其余一家位于韓國。
分析發(fā)現這些產(chǎn)品中有18個(gè)具有集中的拓撲結構，有22個(gè)具有模塊化拓撲結構。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(chē)的電池組，而18個(gè)集中系統中有13個(gè)只適用于200V及以下的應用。
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撲，但高壓應用更可能由模塊化BMS組成，部分原因是與模塊化系統相比，在集中式系統中處理絕緣問(wèn)題更具挑戰性。日產(chǎn)Leaf的360 V系統是個(gè)例外。然而，模塊化系統的一個(gè)缺點(diǎn)是需要大量的通信和電源電路，因此成本相對較高。
分析表明只有7個(gè)BMS沒(méi)有明確打算在BEVs中應用，因此它們不能在高壓下工作。此外，7個(gè)中有5個(gè)是集中拓撲結構。
在本研究中幾乎所有的BMS都至少使用一條CAN總線(xiàn)通信線(xiàn)路。CAN總線(xiàn)廣泛使用的原因可能是在汽車(chē)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(xiàn)BMS可以用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )取代模塊之間的內部通信，具有潛在的優(yōu)勢包括減少組裝過(guò)程中的線(xiàn)束、連接器和布線(xiàn)工作。然而，無(wú)線(xiàn)BMS面臨的一個(gè)挑戰是汽車(chē)內部和外部實(shí)體電磁噪聲對無(wú)線(xiàn)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，為了保證電池系統的**運行需要考慮多方面的因素。在過(guò)去的幾十年里，電氣和電子系統的硬件和軟件部分的開(kāi)發(fā)出現了**標準。
本研究考慮將ISO 26262標準“道路車(chē)輛-功能**”（源自通用工業(yè)標準IEC 61508）應用于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改進(jìn)，使得鋰離子電池成為電動(dòng)汽車(chē)（EV）的優(yōu)選能源。根據全球電動(dòng)汽車(chē)展望2016年的報道，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（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(zhù)提高400%。另一方面，數據顯示同一時(shí)間段內成本從1000美元/千瓦時(shí)下降到268美元/千瓦時(shí)，降幅高達78%。
在某些特定的情況下，整車(chē)廠(chǎng)宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成績(jì)。例如，通用汽車(chē)（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)，預計到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(chē)（BEV）制造商特斯拉（Tesla）的目標是在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：125美元/千瓦時(shí)、400 Wh/L和250 Wh/kg，這將使新能源汽車(chē)實(shí)現對傳統內燃機汽車(chē)（ICEV）的成本競爭力，并具有****的續駛里程。
然而，盡管鋰離子電池技術(shù)在過(guò)去的十年中表現出色，主要是因為其良好的能量和功率密度，但它既不是一項成熟的技術(shù)，也不是在所有可能的運行條件下都是**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)際應用中可能對電池造成損傷，因此鋰離子電池需要復雜的**管理技術(shù)，此外隨著(zhù)能量密度提升電池的風(fēng)險越來(lái)越高。
隨著(zhù)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，導致內部或者外部短路。在能源儲存系統中有效和**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(chē)驅動(dòng)系統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**。
鋰離子電池容量會(huì )隨著(zhù)使用壽命的延長(cháng)而衰減，內阻也會(huì )增加，這種現象被稱(chēng)為老化，有循環(huán)老化和日歷老化之分，周?chē)橘|(zhì)的溫度、電池包內溫度梯度都會(huì )影響老化過(guò)程。
串聯(lián)鋰離子電池在正常運行過(guò)程中老化特性的擴展，以及電池自放電速率的差異，導致電池電荷不均衡。這種不均衡降低了電池包的可用總容量，要么是因為電荷少的電芯決定了放電的結束（即使其他電池包中仍然存儲著(zhù)可用的能量），要么是因為電荷多的電池決定了充電過(guò)程的結束。忽略這兩種極端情況終會(huì )導致深度放電或過(guò)充，這可能導致熱失控現象的發(fā)生。更重要的是電池容量的降低將導致更頻繁的循環(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。文獻報道了電芯建模領(lǐng)域的發(fā)展，該模型能夠對電芯和電池包進(jìn)行有效監測。電芯監測主要關(guān)注電芯內部狀態(tài)的準確測定：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；健康狀態(tài)（SOH）——基于電芯的容量或內阻，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(mǎn)足應用的需求，例如功率需求、起動(dòng)能力或充電接受能力等。此外，關(guān)于電芯均衡及其對電池壽命的影響的研究活動(dòng)在科學(xué)文獻中也被發(fā)現具有同等的相關(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)現正確理解和復現熱失控、鋰沉積、鋰枝晶產(chǎn)生、集流體溶解、產(chǎn)氣，以及環(huán)境和工況條件對上述現象的影響。目的是將當前先進(jìn)的被動(dòng)**管理轉變成一個(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(chē)輛司機的**。當然，傳統的傳感策略——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)傳感器內部溫度估計。
但**不僅包括分析和算法的實(shí)現、傳感策略和狀態(tài)估計（例如高電壓、電或熱管理），為了防止危險事件的發(fā)生，還包括采集、處理、存儲和數據通信，以及對專(zhuān)用傳感器和執行器的控制，如繼電器、預充和高壓互鎖電路、絕緣監測裝置等。
本文架構安排：
1、BMS概述、分類(lèi)和分析。將詳細揭示無(wú)論是模塊化的還是集中式的硬件中存在的拓撲結構，以及它們的特征、任務(wù)、優(yōu)缺點(diǎn)。
2、汽車(chē)BMS設計的功能**流程。將介紹與e-mobility電池管理系統相關(guān)的功能**標準化結果。特別關(guān)注的是ISO 26262標準的特性，以及在文獻中發(fā)現的將其應用于汽車(chē)BMS的方法。
3、電芯監測算法知識產(chǎn)權。將深入研究磚利中提出的電芯監測策略實(shí)施的理論基礎。
4、對電動(dòng)汽車(chē)BMS市場(chǎng)的概述。將涉及在世界各地運營(yíng)的相關(guān)汽車(chē)BMS制造商和供應商。
5、將說(shuō)明從對BMS的新情況分析中得出的一般性結論以及對今后活動(dòng)的建議。
6、將列出所使用的信息源的相關(guān)元數據，這些元數據用于分析BMS體系結構的新?tīng)顟B(tài)。
1、BMS概述、分類(lèi)和分析
1.1 BMS功能和設計
從電芯到電池包
與內燃機車(chē)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，或者如果電池在規定的極限（溫度、電壓和電流）之外運行，反應會(huì )很快失控并放熱。這可能導致熱失控，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散。這一過(guò)程可能導致火災和爆炸，并將環(huán)境置于顯著(zhù)的風(fēng)險中。
鋰離子蓄電池有三種不同的結構類(lèi)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格限制時(shí)電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規格極限，老化過(guò)程就越快，電池的壽命就越短。
電芯的規范限制是不同的，充電結束電壓因所用的正極和負極材料而異。對于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池，放電結束電壓為2.5 V，充電結束電壓為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，充電和溫度的規格限制因不同的電芯類(lèi)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體。
根據應用的不同，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)為超級電芯，也可以并聯(lián)幾個(gè)模塊，電芯串并聯(lián)之后被稱(chēng)為電池系統或電池包。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應用的具體要求，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）或固定存儲應用。
國際標準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(lèi)電壓），要在這一高壓范圍內開(kāi)展工作，需要有專(zhuān)門(mén)的培訓和證書(shū)。因此電池模塊的設計通常是一個(gè)模塊的總電壓小于60V，使得電壓A類(lèi)。這使得在生產(chǎn)和運輸過(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構：
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)構成，電壓可達1000 V。
BMS需求和功能
BMS*重要的任務(wù)**功能，即使電池系統中的電芯在電壓、溫度和電流方面不超過(guò)規定的極限，電芯的這些規范限制通常稱(chēng)為其**操作區域（SOA）。
一般來(lái)說(shuō)，BMS是一種模擬和/或數字電子設備，符合以下基本要求：
數據采集。
數據處理和數據存儲。
電氣管理。
溫度管理。
**管理。
通信。
對于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，BMS的關(guān)鍵目標和要求如下：
提高電池系統的**性和可靠性。
保護電芯和電池系統免受損壞。
提高電池的能源使用效率（提高續駛里程）。
延長(cháng)電池壽命。
前兩項是**要求，后兩項是使用要求。
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檢測和控制：BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障，控制接觸器和熱管理系統。
②保護：BMS必須包括電子和邏輯，以警告或保護電池供電系統和電池包的操作員，通過(guò)附加的冷卻或加熱系統防止過(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用通信，報告可用的能量和功率，以及電池包狀態(tài)的其他指標。此外，它必須在長(cháng)久內存中記錄異常錯誤或濫用事件，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必須能夠估計充電狀態(tài)（SOC），好是對電池包中的所有電芯進(jìn)行估計，計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必須能夠估計健康狀態(tài)（SOH），包括檢測濫用，并且可能需要估計電芯和電池包的剩余使用壽命。