如何让电动汽车确保动力锂电池高效和安全地运作 核心就在BMS

根据国际能源署的报告，2016年在全球行驶的电动汽车达到了200万辆，到2020年全球电动汽车的保有量将上升到900万-2000万，而这个数据在2025年将新增到4000万-9000万，市场成长的加速度惊人。

不过同时会把人们“惊”到的，还有不时见诸报端的电动汽车安全事故。有人将2010年以来我国发生的49起电动汽车事故进行了分析，发现有50%都与“电池”相关。这也难怪，作为电动汽车“心脏”的电池组，是由数以千计的单体锂离子电池构成的。锂离子电池是目前能量密度最高的可商用的电池技术，据估算2017年全球锂离子动力锂电池的需求量大约为50GWh。而锂离子电池的“魔性”在于锂材料天生的不稳定性，假如遇到过充、过放、过温等使用中的问题，或者是制造工艺、结构材料方面的影响，就很可能发生燃爆事故。所以既要让锂离子电池为电动汽车供应强劲的能量，又要将其充满“魔性”的电化学反应过程很好地管控起来，这就要一个大神级的角色出场。它就是BMS（电源管理系统）。

BMS是伴随着电动汽车的发展而发展起来的一个新技术，但由于“汽车”这个产品特殊的安全性要求，所以人们关于BMS的功能也给予了更多的厚望：BMS要具有防止过充、防止过放、温度控制、保持电池组件电压和温度平衡、预测电池的剩余电量和剩余行驶里程等功能；同时，BMS还要具备实时监控并调整电池管理状态的能力、与多个平行子系统同步协调工作的能力。简言之，BMS就是对动力锂电池进行监测、分析、控制、反馈的一整套监控系统，确保动力锂电池高效和安全地运作，是BMS的核心职责所在。

从BMS的技术架构来看，其最核心的功能包括：

准确的电池状态估测。即对电池组的SOC（荷电状态）、SOP（功率状态）和SOH（健康状态）等参数做出准确的测量和估算，可以完成动态监测，对每块电池的状态做出诊断，为其建立使用历史数据档案，为数据分析和控制决策供应依据。

能量均衡。由于实际工作中电池组中的每个电池性能表现会出现差异，这种差异会对电池的寿命和系统的使用出现不良影响，所以要通过能量均衡的手段去弥补电池个体之间的差异，确保其一致性，对电池组进行持续动态的“保养”。目前BMS中采用的有主动均衡和被动均衡两种能量均衡策略，它们各具特点（详见表1）。

保护功能。具备可靠的过充、过放保护，过流、过温、低温保护，多级故障诊断保护，确保在故障发生时能够做出快速响应。

数据通信功能。通过CAN总线或其他方式建立数据通信机制，并向显示系统、整车控制器、充电机等外部设备传输数据，甚至可以配备无线传输功能，连接至云端。

表1，被动均衡和主动均衡技术策略比较

为了支撑BMS的上述功能，各个技术厂商都在积极开发产品和解决方法。比如MaximIntegrated的MAX14920/MAX14921电池测量模拟前端器件，可以支持高精度采样电池电压，并供应电平转换，可支持多达16节/+65V（最大）的主/辅电池组，通过外部的FET驱动器可支持被动电池均衡。

假如说MaximIntegrated供应的是高性能“单品”，TexasInstruments（TI）供应的则一道“套餐”。基于其TI的bq76PL455A-Q1集成式16节电池监视和保护器件，可搭建一套完整的被动电池均衡解决方法。bq76PL455A-Q1可监视和检测包括过压、欠压、过热和通信故障等多种故障，最多允许十六个bq76PL455A-Q1器件通过单个UART接口与主机通信。

图，TI的被动电池均衡方法

NXP凭借其完整的汽车电子产品线，可供应包括微控制器MCU、模拟前端电池控制器IC、隔离网络高速收发器、系统基础芯片SBC等在内的完整的电池管理系统解决方法，通过该方法客户可管理高达800V以上的高压。

图，NXP整体BMS解决方法

除了上述芯片级的“硬功夫”，设计一个BMS系统还要相应的“软实力”，即核心算法的开发。一个优秀的算法，不仅可以提高对电池组状态估测的精确度，还会具有很强的纠错能力，从而抵消可能由于电池品质等硬件因素造成的影响，使得对一致性不太好的电池同样能够实现精确控制，从而节省整体系统成本。算法的优劣还体现在其所需的硬件资源开销上，高效的算法只需少量的CPU计算资源即可完成，大大提升了系统的效率。

根据预测，到2020年我国车用动力锂电池的市场规模将达到1200亿元，届时国内电动汽车用BMS的市场规模将达170亿元。尽管BMS在整个电动汽车中的成本比重并不高，但为了确保动力锂电池不会成为“炸弹”，开发者确实应该将BMS视为一个“神”相同的存在，让其深深地根植在电动汽车的设计理念中。