图1.典型分布式BMS的爆炸图
动力总成电气化 - 电动汽车（EV），混合动力电动汽车（HEV）和插电式混合动力汽车（PHEV）的临界点 - 现代锂离子电池能够在更高功率密度的车辆中存储和使用能源并降低成本。根据汽车芯片制造商恩智浦（NXP）的一项内部研究，到2030年，全球销售的汽车中有50％将采用某种形式的电力推进。
然而，与此同时，锂电池单元面临着需要复杂电子控制系统的重大挑战，需要先进的电池管理系统（BMS，battery management system）。
图2. BIM的框图
据媒体报道，大众公司的“范围焦虑”是大众汽车工程师长期低估雄心勃勃的车辆电气化道路的关键原因。行业观察家称这对大众汽车来说是一个代价高昂的错误。虽然这家德国汽车制造商声称它正在追赶电力驱动技术，并大力推动研发资金。
BMS电子设备是动力总成电气化的关键部分，因为它可以监控和管理锂离子电池的状况，以确保安全，可靠和最佳的电池运行。在汽车设计的恶劣和不可预测的环境中，BMS的作用变得尤为重要。
本文将详细介绍BMS的解??剖结构，并将展示高效准确的BMS解决方案如何通过采用电池监控和均衡技术解决与续航范围相关的问题。
BMS解剖让我们从电池组开始，这是一系列必须仔细监控和平衡的锂离子电池。电池单元 - 数百甚至数千个 - 构成一个产生高达数百伏电压的电池。电池将直流电压传递给采用交流牵引电机的逆变器，为电动汽车提供加速。
图3、电动汽车BMS的视图。
这里，在电池方面，BMS解决方案在车辆电气化中执行三个主要功能：电池单元监控，充电状态（SOC）估计和电池单元均衡。
下面是对不同电池组和动力总成配置的BMS解决方案的这些关键构建模块的预览。
1.电池监测
部署提供400V至800V系统的大型电池不可避免地需要精确监测电池电压。这里，BMS解决方案通过在实时条件下提供有关电流，电压，温度等的信息来促进电池单元监控。这对于促进电动车电池的早期故障检测起着至关重要的作用。
电池监视芯片通常是监视电池或一组电池的电压的微控制器。此外，它通常执行电池组的温度测量，并且可能执行电池本身的温度测量。
图4.高压收发信机的布局图。
BMS电子设备中通常有两个主要的子系统。电池监控控制器（CMC，cell monitoring controller）将电压和温度数据报告给电池监控控制器（BMC，battery monitoring controller），后者通过CAN总线将数据汇总传递给电子控制单元（ECU，electronic control unit）。当涉及到包括CMC和BMC组件的BMS架构时，存在分布式和集中式系统设计。
BMS通过密切跟踪系统性能下降来精确监控电池单元的事实也使其能够报告电池组的充电状态。这将我们带到下一个BMS构建块：充电状态（SOC）估计。
图5：EV动力总成的框图。
2.2.充电状态（State of charge）
锂离子电池易受电池单元过充电和欠充电损坏的影响。并且，充电状态或SOC，BMS中最重要的参数之一，代表各个电池单元之间的差异。
过电流时的过压或过充电会导致热失控。此外，即使电池串联连接，也不是电池组中的每个电池都以相同的速率失去电荷。这是因为电池的充电周期依赖于几个因素，包括温度和电池在电池组中的位置。
BMS电子设备可提供车辆范围和电池寿命预测的准确预测，实现预测算法以准确估算电池单元性能。接下来，它确保电池在100％的SOC下不充电或在SOC的0％下不放电，因为两者都会降低电池容量。
图6、所提出的HV收发器的测量配置
最大化电池组容量和最小化劣化的一种方法是通过精确控制每个电池单元的SOC。因此，BMS电子设备可以确保电池单元的电量保持在建议的范围内。这是通过电池平衡完成的。
锂离子电池易受电池单元过充电和欠充电损坏的影响。并且，充电状态或SOC，BMS中最重要的参数之一，代表各个电池单元之间的差异。
过电流时的过压或过充电会导致热失控。此外，即使电池串联连接，也不是电池组中的每个电池都以相同的速率失去电荷。这是因为电池的充电周期依赖于几个因素，包括温度和电池中电池的位置。
BMS电子设备可提供车辆范围和电池寿命预测的准确预测，实现预测算法以准确估算电池单元性能。接下来，它确保电池在100％的SOC下不充电或在SOC的0％下放电，因为两者都会降低电池容量。
最大化电池组容量和最小化劣化的一种方法是通过精确控制每个电池单元的SOC。因此，BMS电子设备可以确保电池单元的电量保持在建议的范围内。这是通过电池平衡完成的。
3.电池单元平衡
电池电压之间的差异（表示系统级别的不平衡电池）可能会影响单个电池和电池组。电池故障的主要原因是单个电池中的漏电流引起的电池电压不平衡。
BMS确保电池电压不超过额定最大电压，并通过采用无源和有源平衡技术来实现。但是，无源平衡设计中使用的高阻值电阻本身会消耗功率，并且不会对汽车设计环境中常见的温度变化做出响应。
两种主要的有源平衡技术分别基于运算放大器，用于使用MOSFET进行电压平衡和电流平衡。然而，如果两个单元的电容值之间存在不匹配，则运算放大器会导致发誓功率损失。
图6：这是MOSFET如何自动平衡电池单元之间的电流。
另一方面，MOSFET通过互补的反向电流电平实现自然电池平衡，确保MOSFET本身几乎没有或没有额外的漏电流。 MOSFET与串联连接的电池单元或单元堆并联。
BMS价值链
该文章已经表明，如果准确地监测电池组的充电状态，则不存在关于电池单元的问题。然而，如果确实出现与电池单元的过度充电或欠充电有关的问题，则电池单元的自动平衡确保了电动车辆中的逆变器的安全电压供应。
图18.使用所提出的电压监测IC的测量原型的照片
BMS电子设备将继续发展，而更多电动汽车和混合动力汽车将上路。但它已经能够通过有效地监测和管理车辆电池中的电池来满足当前的要求。
（完）
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