电池管理系统(BMS)的关键技术

电池管理系统发展综述

一、国内外研究现状

电动汽车电池管理系统的研究始于20世纪七十年代末，美国人率先开始了

电动汽车电池系统的热管理研究，电池的热管理系统就是现在电池管理系统的前

身，此后其逐步发展成为现在功能全面的电池管理系统。电池管理系统经历了从

航天到军用再到民用的一个发展过程。1984年，美国Rahnamai,H和ljichi,K等

人研制了首套自动化电池管理系统实验模型，能够对航天器使用的镍氧电池的充

放电进行监控。在1985年NASA的空间飞行微型电池研讨会上，Moodyhe和

Malcolm H公布了他们的高可靠电池管理系统，该系统对各个电池独立管理以避

免个别电池的过充和过放。而后美国又将电池管理系统应用于军用车辆里面。到

了90年代，随着动力电池和电动汽车的发展，电动汽车电池管理系统才真正发

展成为电动汽车的必要配置。

此外，韩国、德国、日本、法国对电动汽车电池管理系统的研究也起步较早。

目前国外典型的BMS主要有EV1 BMS、SmartGuaxd系统、BatOpt系统、

BADICOaCH系统、BATTNIAN BMS等。EV1 BMS的功能包括：单体电池电压

监测、分流采集电流、过放电报警、断电保护装置、电量及里程预算等。SmartGuard

系统采用了分布式方式釆集动力电池的温度和电压，除BMS的—般功能外，它

还具有记录电池历史数据，显示最差单体电池信息等功能。BatOpt系统也是一

个分布式系统，包括中央控制单元和监控子模块，监控子模块将采集的各个电池

的状态信息通过two wire总线上传至中央控制单元，中央控制单元再利用这些数

据对电池进行优化控制。BADICOaCH系统的电池电压采集电路采用了一非线性

电路，此外BADICOaCH系统会存储充放电周期数据，以判断电池的工作状态，

快速检査出电池的错误使用情况。BATTNIAN BMS的特点是解决了不同型号动

力电池管理系统的通用性问题，它通过硬件跳线和软件上修改参数的方法，实现

不同信号电池组的管理。日本青森工业研究中心从1977年至今一直在坚持对电

池管理系统进行实际应用的研究。韩国 AJOU大学和先进工程研究院联合开发

的电池管理系统具有安全管理系统、充电系统、通信系统，从而实现能量汽车制

动反馈和最大功率控制。韩国还研制出了SAMSUNG SDI电池管理系统，它由

检测单元、微处理器、电池单体和平衡单元组成，能够同时监测40个单体电池

电流、电压和温度信号，并且能实现单体电池之间的均衡。加拿大Zader研制的

电池管理系统由控制器、监测模块和平衡模块组成，能够监测电池组温度和电压，

控制电池单体的充、放电均衡。

我国电动汽车电池管理系统的研究虽然起步较晚，但是研究起点较高，特别

是在“十五”期间设立电动汽车重大研究项目，积极推进BMS的研发和应用，

取得了重多成果，某些技术已达到世界领先水平。很多高校依托自己的科技优势，

与一些大型电池供应商和汽车生产商合作，进行BMS的关键技术研究，主要包

括:①SOC估计；②均压控制；③CAN总线通讯；④高精度数据采集；⑤故障检

测与诊断。北京理工大学、北方工业大学、重庆大学是我国第一批进入BMS研

究领域的高校，1998年北京理工大学车辆工程学院孙逢春、张承宁和郭海涛等

人就开始了电动汽车电池管理系统的研究和开发，所开发系统的铅酸电池剩余容

量静态充放电实验计量误差小于5%，能对每个单体电池进行检测，对铅酸电池

的过充电和过放电等非正常情况进行报警。目前，哈尔滨工业大学在高精度检测方面做得比较出色，刘志远、杨春雷等人开发的电池管理系统电压检测精度为

0.1%，电流检测精度0.5%，绝缘电阻检测精度5%。湖南大学在电池电压均衡控

制研究方面较为领先，钟志华、陈广提出一种双向均衡控制方法，均衡效果可使

电池之间电压差小于8mV。吉林大学则在SOC估计方面领先，左春柽、张明等

人釆用的电流积分法与自适应卡尔曼滤波法相结合的方法取得了相对误差在1%

以内的SOC估计精度。此外，上海交通大学、同济大学、西南大学等高校也在

电池管理系统方面做了大量研究工作尽管我国在电动汽车电池管理系统研究方

面取得了不少成绩，但是很多研究还停留在理论研究或模拟实验阶段，缺乏电动

汽车的工况应用条件。在SOC估计、均压控制等关键技术研究方面往往忽视了

算法的复杂性和电动汽车中对算法可靠性、实时性上的要求。因此，还有必要进

一步进行BMS关键技术的实用化研究。

比亚迪股份有限公司为混合动力轿车及纯电动轿车设计的电池管理系统采

用分布式结构，具有采集电池组总电压和总电流、SOC估算、安全保护和热管

理等功能。奇瑞汽车股份有限公司研发的电池管理系统采用分布式结构，由多个

电池模组、远程数据采集模块、CAN总线和电池管理模块构成，能够管理电池

单体、均衡充电和扩充接口。长安汽车股份有限公司为混合动力轿车研制的电池

管理系统包括采集电路板和主控制板两大子系统，具有采集电池总电压和总电

流、热管理、故障诊断和报警等功能。北京集能伟业电子科技有限公司研制的氢

镍智能化电池管理系统由电池信息采集模块、温度检测模块、风扇控制模块、电

池容量检测模块和管理模块组成，具有检测电池电压和温度、均衡管理、热管理、

过放电保护等功能。

二、电池管理系统工作原理与功能

电池管理系统(BMS)是由各类传感器、执行器、固化有各种算法的中央控制

单元和信号线组成。其主要作用是保证电池组安全工作，提供给整车控制器电池

相关信息，在异常情况下可以实现干预措施，同时根据环境温度、电池状态及车

辆需求，决定电池充放电功率，使电池组工作在最优区间，从而达到延长电池寿

命的目的。目前，电池管理系统的结构主要分为集中式和分布式两种：分布式管

理是对一组电池进行模块化管理，把整个电池组分成若干个模块单元，通过

CAN总线与 BMS中央控制单元进行通讯，整个系统可以分散布置，模块数量

可以灵活变化，由于单体电池信息采样和系统主要运算分别由不同单元负责，因

此大大提高了程序运行和控制策略实施的效率；集中式管理省去了独立的模块单

元，由中央单元直接负责电池单体采样，其结构相对简单，但由于中央单元要同

时负责采样和数据处理工作，其运算负荷大大增加，同时，当单体电池数量增加

时，系统硬件结构可能需要重新调整。图1为一种分布式电池管理系统结构简图。

图1一种分布式电池管理系统结构简图

电动汽车电池管理系统应该具有以下功能：

(1)电池组参数监测。这其中包含了单体电池电压和温度采样、电池组总电压和

电流采样、高压电绝缘监测。较为先进的电池管理系统可能还包含了烟雾探测、

碰撞探测和阻抗监测等。

(2)电池状态参数估计。状态参数包括荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功能状

态(SOF)，SOC直接反应电池组的剩余容量。对于传统内燃机汽车而言，车辆的

剩余行驶里程数可以通过油表直接读取，而对于电动汽车而言，必须通过电池组

的采样电压和电流对其剩余容量进行实时估计。SOC参数大小对于司机而言十

分重要，其不仅可以避免车辆在行驶过程中由于电力不足而抛锚，电池管理系统

还可以通过该数据最大限度地利用电池的剩余容量，实现电池组的优化管理。

SOH反应了电池组的使用历程和衰减程度，通过该项数据，司机可以判断电池

是否需要更换，这对于行车安全是十分重要的。同时，由于电池容量会随电池使

用时间的增长逐渐衰减，SOH的准确估计也直接影响到 SOC算法的估计精度。

此外，根据电池的 SOC、SOH和使用环境，可以估计电池的 SOF参数。

(3)电池组在线故障诊断。电池系统故障包含：传感器故障、执行器故障、通讯

故障、电池电压过高或过低、电池过流过大、电池温度过高或过低、线束接头松

动、绝缘故障、温升过快等。通过故障诊断结果，司机可以准确判断电池系统出

现的问题，并及时进行修复。

(4)电池安全控制和报警。电池管理系统的执行器主要负责热失控控制和高压电

安全控制。当电池管理系统检测到电池故障后，系统执行器或充放电机必须对存

在重大安全隐患的故障立即处理，防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电、

短路等问题造成电池损伤甚至人员伤害。

(5)电池充电过程控制。电池管理系统根据各项电池参数，估计电池组所需充电

电流和电压大小，并与充电机通信，通过充电机实现电池的合理充电。

(6)电池均衡。根据单体电池信息，采用主动或被动均衡方式，使电池单体电量

尽可能一致。电动汽车通过串联电池单体的方式获得高电压。对于新电池组而言，

电池单体差异很小，随着充放电循环的增加，单体间的差异不断增大。电池组的

整体性能和很大程度上取决于性能最差的单体电池。为了降低电池单体间的差

异，电池管理系统必须合理控制各单体电池的端电压，使其端电压、SOC 基本

一致，从而获得相同的工作性能。 (7)热管理。根据电池组内部温度分布信息及充放电需求，决定是否启动加热或

散热，并确定加热功率、散热功率大小。电池温度过高会带来安全问题，电池温

度过低会造成容量衰减，而电池温度的急剧变化会缩短电池使用寿命，因此电池

管理系统必须实时调整电池箱内部温度，将其控制在合理的范围。

(8)数据存储和数据通讯。电池管理系统必须保留存储空间，用于存放电池组状

态信息、故障码等一系列参数。同时，需要在不进行硬件拆卸的情况下与 PC机

连接，实现数据在线标定与监控、自动代码生成及在线程序下载等相关操作。

(9)环境适应性与电磁兼容。电池管理系统会经受恶劣环境的考验，同时面临其

他电子设备的电磁干扰，因此要求电池管理系统具有较好环境适应性和抗电磁干

扰能力，同时要求其自身对外辐射较小。

综上所述，电池管理系统已经成为电动汽车不可缺少的核心部件，随着电动

汽车技术的发展，电池管理系统的功能将会更加完善，性能不断提高。由于电动

汽车技术在国外起步较早，研究者已经在电池管理系统的设计和制造上积累了丰

富的经验。美国、日本所生产的纯电动汽车和混合动力汽车均配备了先进的电池

管理系统。而在国内，高校、企业和科研机构之间也加强合作，集中力量对电池

管理系统中重点难点问题进行联合攻关。这些问题主要体现在以下几个方面：

(1)数据采样精度和同步性问题。电池管理系统的采样数据主要包括电池的电压、

电流和温度。以磷酸铁锂电池单体为例，其开路电压平台在 40%到70%SOC区

间上变化十分平缓，其中10%SOC变化所引起的开路电压变化可能低于 5mV，

这就要求电池管理系统具备相当高的电压采样精度。电池管理系统不仅需要拥有

高分辨率的采样单元，还要拥有较强的抗干扰能力，从而避免采样数据出现较大

波动。同时，在对电流、电压和温度的采样上，应尽量做到时间上的同步，如果

各项数据间存在较大采样延迟，很可能影响电池组各项状态参数的估计精度(如

SOC、SOH、电池内阻等)，从而影响到整车控制策略的实施。

(2)电池组SOC与SOH估计方法。电池SOC和SOH估计是电池管理系统研究的

重点和难点。由于电动汽车行驶工况复杂，而且电池本身在使用过程中存在极化

现象，使得准确估计电池SOC具有很大的难度，表1对目前常用的SOC估计方

法进行了综合比较。针对不同类型电池，使用相同的SOC算法，其估计结果也

可能存在差异。例如，普通铅酸电池(标称电压12V)在0~100% SOC区域的开路

电压差异在1V左右，而磷酸铁锂电池在 10%~100%SOC 区域内的开路电压变