电池管理系统关键技术与发展趋势

电池管理基础功能

整车通信、充放电管理

本文从电池管理的需求角度出发，分析电池管理系统的关键技术，同时对BMS产品技术和市场方向的未来做一些预测。

讲BMS的关键技术，先要讲BMS的基础功能，分析其主要功能就是和整车进行通信，第二个是对电池充放电进行管理，因为BMS是对电池进行安全上的管控，这个功能属于电池管理系统自身基础的工作，包括充电、放电、过流等的管控功能。

基础功能之外或者有进一步扩展功能应用场景中另有SOC、对电池的温度进行采集、系统进行安全的保护，包括现在有绝缘检测，远程的实施监控，数据储存等功能。

目前公司BMS产品的主要的技术指标，基本功能应包括电压的采集、电流的采集、温度的采集，绝缘电阻的采集，这些采集是原始的物理信号的采集工作，考验的是技术功底。

管BMS关键技术

信号采集精度、关键指标的数学模型、均衡功能、六性

另外一方面，类似于扩展功能，包括SOC的精度，还有均衡等其他的功能，扩张功能。这里面，有四点是BMS关键技术。

第一个关键技术关于物理信号的原始采集精度，这部分从硬件的模拟或者数字电路，包括AD转换等等这些硬件电路决定了采样的精度。它的精度能决定到后面更进一步的策略控制的准确性。比如说我们电流的采样精度，可能会进一步延伸到咱们做的SOC精度，比如说单体电压可能影响到均衡的效果，同时还包括电流、温度、总电压、开关量等的原始采集精度。这个关键技术主要考验的是硬件功底。基本的物理量采集的精度，各家做得不太存在太大的差距，基本上电压、电流采样精度都做得差不多。

第二个关键技术是BMS关键指标的数学模型，比如SOC、SOH等，从这个角度，下面有进一步的展开。

第三个就是增强功能、均衡功能，本身BMS来说，均衡这个功能，主要取决于电池的本身的性能，就像我们用日本的，或者一些更好的电芯，可能BMS都可以不用均衡功能。最早一款混合动力汽车丰田普锐斯，这个车就没有什么均衡功能也跑了很多年。其实均衡功能是由于电芯材料、生产工艺过程中产生的电池的不一致性，而引出的我们用BMS对电池进行补偿的辅助功能。随着电芯行业的发展，电芯的一致性会越来越好，管理系统中的均衡功能可能要求就会越来越弱了。

第四个是军品上的概念，叫六性，对于我们民品产品来说并没有那么重视，但是军品上来说，产品的设计需要有可靠性、保障性、安全性、测试性、维修性和环境适应性等方面的考虑。因为军品更多是提炼，对产品的要求更高一些，明确总结出来的六性要求，但是民品来说没有明确的六性要求。

SOC估算功能

SOC估算功能，一般定义就是当前的剩余容量除以额定容量，而剩余电量（Ah）既当前容量 = 额定电量 - 净放电量- 自放电量 - 温度补偿电量，而“额定容量” 既充满容量 = 标称电量- 电量衰减 – 温度补偿电量。咱们充满容量正常的就是标称容量，减掉衰减，减掉补偿。SOC的算法，一般来说，第一个是OCV,OCV就是开路电压法，第二个是电流积分法，第三个是OCV+电流积分法，最后还有就是引入其他方面的算法，包括卡尔曼滤波算法等对SOC进行估算。

影响SOC的因素很多，我们实际上拿一个BMS测，对客户承诺BMS的SOC是优于5%的精度，客户拿到后通过测试结果也是挺好。但是，其实客户对BMS不是很了解，恒流充、恒流放，25度的环境下，对于SOC的精度来说最终考验的电流的采样精度，这种情况下就是简单的电流积分，中间又不存在电池充放电倍率的变化，或者温度环境变化，考验出来的SOC的精度就是电流的采样精度，而电流传感器及采样精度是0.5%，积分下来最多也就是1%。而实际的工况中根本没有办法说的，因为到现在为止，工况的实际情况下，还没有办法或者通过第三方的手段来验证这个电池当前的容量到底是多少。也就是说假如车在来回跑的使用过程中，管理系统显示SOC为50%，车停在这儿，现在也没有办法能把车上当前电池到底荷电容量准确的给你测出来，也就是说很难评估出BMS的SOC估算准还是不准。目前对SOC评估的时候，大多是是在一个实验室环境下，比较标准的恒流，或者比较好的条件做的。

但是影响SOC的因素，有几个点。

第一个就是原始电流的测量精度，对原始电流的测量精度要引入SOC这部分误差的因素。如果是使用OCV的方法估算SOC，那么原始测量电压精度也会影响到SOC的估算精度。

第二个是环境温度，这个因素主要针对不是对管理系统自身的影响，而是对电芯的影响。环境温度不同，电池本身的变化，化学活性变了之后，本身标称的容量都会跑。比如常温25度，可能在0度的时候就只能放80%了，它的标称容量变了，算SOC的时候分母在变，所以会引入一个环境因素对SOC估算的影响。

第三个是电芯的寿命衰减，使用的过程中，它也有循环寿命，比如一千次的循环。三元现在一般是国标跑循环跑上一千次，这是国标的要求。但是实际上国标的要求是一千次后实际使用容量衰减到不低于80%以上，但是实际上到80%以后，电池的容量也会急剧往下衰，80%以后电池用不了太长时间了。

第四个电池的使用条件，使用条件就是指充放电电流的倍率，1C放电和2C放电，同样一个电池，放出来的容量是有差异的。我们真正在路上跑的车，或者真正实际上项目上用的电池组，电流使用情况很少能说我们提前能预判出来它规规矩矩恒流放的条件。大多数都是波动的电流情况，不同的驾驶人习惯不一样，电流大小也会差异非常大。

第五个就是说电芯的一致性，电芯本身我们在做的时候，一个电池组里面我们有很多串，电芯的不一致性会导致整体电池组的容量对外的体现。比如单体都是100安时，个别的一致性不好，出现个别有80安时的，此时整体的也会被这一颗电池拉下去，变成了整体容量下去了。这样的话，SOC估算出来也是不准的，所以这些电池的一致性，也是咱们要考量的，因为我们现在要做PACK成组的话，要对电芯因为分选，包括容量、开路电压，内阻，三个指标进行配组，最终电芯的一致性来说，取决于电池对外整组容量的体现，这部分也会影响到对SOC的估算精度。

第六个，影响SOC的就是指单位的不同，我们一般SOC可能都是剩余容量、额定容量，安时的单位。实际上我们用户端使用的时候，希望用千瓦时或者多少度电的单位，我剩了50%，实际上我是剩一半的电，而不是一半的安时数，整个电池组的电压会随着我们使用越来越低。我们50%的安时了，但是你的容量不是50%，是小于50%的。我们如果要拿安时做单位，你会发现越往后使用，SOC到后边会掉得越来越快，不是线性的下降的过程。如果用千瓦时，SOC是按照你输出功率乘以时间，基本上是按照线性往下衰减的过程。如果拿安时做单位，这个SOC会越变越快，做得不是线性的过程。

电池均衡

均衡，实际上均衡的技术，我个人做得比较早。因为我是在2009年的时候，跟上海海马做混合动力汽车时开始的。最开始我们也是做的被动均衡，但是到后面做到混合动力的时候，发现被动均衡没有办法用，因为在轻混合动力系统上基本上没有单独稳定充电的条件。轻混的车型不插电的话，没有充电的条件，电池越用越差情况下，电池怎么平衡呢？所以考虑到用主动均衡，能比被动均衡的效率高、速度快，所以2009年的时候，在海马的车上做主动均衡测试，就发现主动均衡的效率比被动均衡的效率高很多，但是成本也是高很多，所以导致到现在为止，批量的产品上使用的并不是非常多。在2011年的深圳大运会五洲龙公交350辆上全部上的主动均衡效果还是不错的。被动均衡也有一些分歧，很多管理系统，包括PACK希望咱们用被动均衡，但是被动均衡的方案一般用MOS管，我们靠一个电阻给单体电池进行放电。但是实际上在这个过程中，MOS管选型一般是过电流能力很小的小封装元件，很容易被静电击穿，而这种MOS管坏的时候，大多是坏了之后变成通路的状态，也就是说它是失控的，一旦MOS管坏了，你的电池会持续放电。一旦被动均衡坏的情况下，就会发现电池组单体个别被过放。

后面做很多项目上发现，其实被动均衡除非是像储能这样充电时间比较长，效果相对来说明显，因为充电的时间比较长。而在大电流充放电的使用条件下，被动均衡的效果就基本上看不到了，反而还引入了不安全的因素。比如我们一个车上120安时的电池，弄一个100毫安、80毫安小电流做被动均衡真的能起多少作用吗？不一定，反而引入了不安全因素，如果一个MOS管坏了，电池的电被慢慢耗着，反而比别的电池差异大，甚至过放了。以上都是个人的一些看法。我也见到过很多客户在沟通的时候，更多的客户在关心你们的电压采样精度多少，SOC做多少，技术怎么样？真正项目做起来之后，他们更多的关心产品的可靠性、稳定性，你这一年能不能少出一点毛病？更多围绕这些在做了，真正批量做出来了，反而没有人会仔细审核你的指标。

均衡的策略比功能更重要，均衡的策略能起到真正均衡效果的，比如均衡的策略和模式，被动均衡一般都是在充电模式下做，因为本身被动均衡是一个耗能型的，如果耗着电池不充电的话是不合理的过程。但是充电均衡的策略一般需要考虑选取的时间是否合适，一般三元的电芯，考虑4.1V，还是4.05V，还是4V往上再开启均衡。你如果是铁锂，我们就3.3、3.4V以上才开始均衡，但是这个时候你开了，一直到电池充满，大概还有多长时间？你的均衡实际工作一个循环出来，你工作多长时间？你拿80毫安、50毫安乘以时间，能补回来多少电池的容量呢？这个是实实在在的，实际上时间这个东西，也是很重要的，这个地方是一个关键，要考虑在什么条件下开启均衡。

第二个行车的过程中开均衡，就是放电均衡。这个地方要注意，我们均衡的判断条件是什么？我们要判断我们可以开均衡的情况，主要是根据电池当前的电压的一致性判断我是不是开均衡，但是放电条件下，由于负载电流，也就是放电的倍率差异还是比较大的，有时候一脚油门下去，有时候很浅的油门滑行，在不同的倍率的情况下，你的电压平台可能不足以体现电池实际的荷电状况。也就是说我们一般希望电池电压和电池的荷电容量有线性关系。但是不同的带载的情况下，还有没有线性关系呢？

第三个，所谓的休眠时间，不充不放的时候。这个时候如果再去做均衡，它又平白无故的损耗电池组的电量。

以上三种情况，充电，放电，还是休眠的状态下做均衡，还是需要根据不同的项目，实际的应用场合选择均衡开启的策略，这方面是更重要的。

六性

六性的考虑，BMS做得指标性再好，如果不稳定、不可靠，这个反而让客户最头疼的问题，所以六性里面可靠性，规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力，也就是说一般体现指标平均无故障的指标，这个本身可以拿系统的模型来推算出来的指标。安全性就是它不导致人员伤害，危害健康环境，也就是可靠性最严重的情况下，引起安全问题。维修性，考虑产品真的产生故障的时候，我们需要产品具有可维修性，比如模块化设计，我们一个从控出问题了，很快一更换，也算一个维修，这方面属于产品设计的维修性。下面的环境适应性，包括温度的，咱们一般工业级-40~80度，汽车级上限到125度，军品级的话-50~85度的环境，这些温度、湿度，还有振动、电磁干扰环境适应性方面。保障性主要就是我们对产品的类似于售后，我们对产品定期维护、巡检，包括对产品进行定期的售后。测试性，就是我们的产品状态怎么能让客户或者使用方，对你当前的工作状态是否是健康的，是否有故障的，能够很快的用简单的方式判断出来，这方面现在来说军品上大部分用BIT的方式，自身做自检，把每一个功能考虑有一个自检的回馈部分电路。比如继电器打开了，我还要看反馈回路检测继电器是否粘连，能够简单的判断自己的功能是否是失效状态。

发展趋势

发展趋势，从两个方面。一个从BMS产品上将来的市场分析，市场需求方面的趋势。第二个从技术角度，简单的罗列了几条。市场上来说，大家在座都是来新能源圈的人，也都是从网上借鉴来的资料和数据，大家也都知道，新能源是大好的前途，市场需求绝对是越来越多的。我分析了三个市场分享，比如说BMS包括PACK未来增量的部分。第一部分是电动汽车这个行业，是一个稳固发展的市场。第二个就是铅酸换锂电部分，随着铅酸不断地被锂电切入进去，也是对BMS和PACK是一个增量挺大的市场。

第三个部分是储能的市场，包括小型的储能，太阳能、风能的储能，包括电厂端的储能。这个是新能源汽车的增长趋势市场，这些资料也都是从网上搜集做给大家分享的。储能方面实际上包括几个市场，第一个就是削峰填谷类市场，第二个就是机电备用电源市场，第三个就是家庭式储能市场，第四个我们认为是电动汽车充换电储能站的市场。实际上电动汽车储能站我们分析过了，有可能不拉国家电网，通过太阳能、风能、储能，建电站给新能源补充电站的思路。

作为BMS的发展，大概第一个就是从技术角度，BMS将来的发展趋势就是状态估算的技术，比如说SOC、SOH、SOP等这些技术的精度，是未来研究的重点，基于电池的建模、大数据，包括越来越多的分析手段，这方面是我们未来必争的技术点。

第二个是主动均衡的技术，目前来说，均衡技术上，被动均衡主要的特点就是成本偏低，但实际上它的均衡效果并不是很好，主动均衡效果很好，但是成本又偏高，所以随着技术发展，主动均衡成本尽可能的往下降，慢慢满足市场一些成本上的使用要求，慢慢的会推向市场使用。

第三个是分布式管理系统，像咱们的大巴、大型的储能，本身它们在分布式的过程中，本身包括干扰、安装的效率、模块化设计，这方面本来就是一个技术难点，这也是将来技术方面的发展趋势。

第四个就是集成化的设计，现在来说，我们不管是用的分离式的元件方案做的BMS，比如说我们的光MOS，凌特、美信，均属会向高度集成化的这个方向发展。

第五个就是电池的全生命周期管理，是一个管理性的方向，因为本身不管是国家还是各行各业，慢慢都注意到锂电进一步的回收和梯次利用，所以全生命周期管理的概念提了几年了，实际上真正落地也是慢慢在落，将来我们是要真真正正的落下去的。

第六个是功能安全，包括现在提出来新的ISO26262安全生命周期的功能安全的要求、考虑。

第七个就是电池管理系统本身自己的诊断技术，BIT功能，本身BMS能不能自己提出来对自己进行良好的自检，有效的预防，当自己失效的时候，能提前预报、预控。

第八个是低成本的技术，市场也会进一步的越来越大，进一步的越来越完善，这样的话成本是客户最关心的问题，所以低成本的技术，也是我们作为BMS来说将来的发展方向。

来源：汽车学堂