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1、BMS相关知识培训0421河南森源重工有限公司电动乘用车开发部2017-041.BMS概述1.1 系统简介电池管理系统（BMS）主要作用包括：估测电池的荷电状态，检测电池的使用状态，对电池进行充放电控制，对电池进行热管理，同时对单体电池进行能量均衡，防止单体电池过充过放产生危险。1.2系统架构BMS根据功能表现形式分为分立式及一体式。分立式电动汽车电池管理系统（BMS）产品主要分为三类模块：主控模块（BCU）、电池信息监测模块（BMU）及绝缘监测模块（HVU）。其系统架构简图如下：图1 系统架构简图其中各模块各司其职：BCU：接收并综合判断电池基本信息，计算SOC，上传或下发控制指令、进行外部

2、继电器控制、整车CAN通讯、充电CAN通讯、内网CAN通讯、数据存储、输入输出信号检测、充放电电流采集等；BMU：单体电池电压采集、电池温度采集、电池均衡管理、单箱电池的热管理功能、内网CAN通讯等；HVU：电池组绝缘检测、电池组总压检测、电机控制器预充电压检测、内网CAN通讯等。1.3 术语缩写中文名称英文缩写电池管理系统BMS主控模块BCU电池信息监测模块（从机模块）BMU绝缘监测模块HVU剩余容量状态SOC剩余能量状态SOE健康状态SOH功率状态SOP控制器局域网CAN表1 术语缩写2.硬件开发硬件是BMS系统运行的基础。BMS硬件开发过程应参照ISO26262中与功能相关的工作和管理流

3、程进行，产品的硬件功能可靠性需符合ISO26262国际标准中的ASILC等级（每小时失效概率10-7）。2.1整体架构图2 整体架构图总体性能方面BMS应满足表2所示的技术要求。名称技术参数工作温度-4085存储温度-40125电源9 16V 常电功能安全要求ASILCCPU（双CPU）Mc9s12xep100主频16 (Bit） 50MHz 以上RAM64KBFLASH1024KBEEPROM4KBs9s08dz60主频8 (Bit） 40MHz 以上RAM4KBFLASH60KBEEPROM2KBBCU休眠与唤醒休眠：无任何唤醒信号时，系统休眠唤醒：钥匙开关唤醒、充电唤醒等两种唤醒方式BM

4、U与HVU休眠与唤醒BMU、HVU不具有唤醒功能，通过BCU控制内网供电继电器上下电;通信接口主：3xCAN2.0B（总线波特率：125Kbps-500Kbps）从：1xCAN2.0B（总线波特率：125Kbps-500Kbps）程序下载内部CAN 看门狗CPU内部监控、诊断表2 BMS技术参数表2.2BCU功能要求BCU主要功能见表3所示。项目功能指标备注电源系统供电916V常火供电、A+、钥匙功耗系统功耗休眠功耗：5mA/12V工作功耗：0.1A最大功耗：电源检测车载12V电源检测检测车载12V电源的供电电压，避免均衡用电导致电池过放。高压互锁检测互锁信号检测2路PWM输出（10HZ），2

5、路PWM输入（10HZ）充放电高压回路连接状态检测碰撞开关检测碰撞开关信号检测1路PWM输入（10HZ）PWM与高低电平检测兼容高边输入检测预留1路输入有源开关量输入低边输入检测预留1路输入无源开关量输入充电枪连接状态交流充电枪连接检测参考GB/T20234.2-2015直流充电枪连接检测参考GB/T20234.3-2015高边输出总正控制12V/1A有源开关量输出总负控制12V/1A有源开关量输出预充控制12V/1A有源开关量输出充电控制12V/1A有源开关量输出内网供电控制12V/3A有源开关量输出，控制BMUHVU的供电DCDC控制12V/1A有源开关量输出空调控制12V/1A有源开关量

6、输出辅件1控制12V/1A有源开关量输出辅件2控制12V/1A有源开关量输出辅件3控制12V/0.1A有源开关量输出辅件4控制12V/0.1A有源开关量输出充电连接指示灯控制高：供电电压；低：0VDC常亮充电过程指示灯控制高：供电电压；低：0VDC充电时1Hz频率闪烁，充电完成时常亮，未充电或者充电故障时熄灭充放电电流电流检测检测范围：匹配霍尔传感器检测精度：020A，0.1A20A500A，3%适用单双通道、单电源+5V供电的LEM霍尔电流传感器通讯功能CAN通讯3路CAN2.0B：整车CAN（不隔离）、充电CAN（隔离）、内网CAN（隔离）、波特率：125Kbps-500Kbps数据存储存

7、储电池运行的历史数据与故障信息4KB主MCU内置EEPROM8GBTF卡or Mini-SD实时时钟时间标定看门狗内部监控、诊断1、MCU内置看门狗监控2、从MCU I/O口模拟诊断主MCUBootloader程序下载通过内部CAN接口下载内部CAN接口故障诊断诊断的BMS故障信息CAN通信整车CAN接口结构尺寸外壳尺寸详细尺寸有待确认外壳要求IP65其他功能指示灯1、1路电源通讯指示2、2路运行状态指示主MCU、从MCU：各1路运行状态指示表3 BCU功能列表2.3BCU硬件设计图3 BCU方案示意图2.4BMU功能要求BMU主要功能见表4所示。项 目功 能指 标备注电源系统供电9-16V内

8、网供电，BCU控制功耗系统功耗休眠功耗：0mA/12V工作功耗：最大功耗：电压采集单体电池电压检测0-5VDC、5mV48串温度采集温度检测-40至150，116个通信管理CAN通讯1路CAN2.0B波特率：125Kbps-500Kbps，与主控模块（BCU）通讯高边输出预留12V/2A/1路有源开关量输出看门狗内部监控MCU内置看门狗监控其他功能指示灯1、1路电源指示2、1路运行状态指示表4 BMU功能列表2.5BMU硬件设计图4 BMU方案示意图2.6HVU功能要求HVU主要功能见表5所示。项 目功 能指 标备注电源系统供电9-16V内网供电，BCU控制功耗系统功耗休眠功耗：0mA/12V

9、工作功耗：最大功耗：绝缘检测电池对车身绝缘性能检测检测范围：010M检测精度：10%总压检测电池总压检测1、2路总压检测2、检测范围：0600V检测精度：总压1：0.5% 总压2：1%总压1检测电池总压总压2作预充总压判断通信管理CAN通讯1路CAN2.0B波特率：125Kbps-500Kbps，与主控模块（BCU）通讯其他功能指示灯1、1路电源指示2、1路运行状态指示表5 HVU功能列表2.7HVU硬件设计图5 HVU方案示意图3.BCU软件开发3.1BCU软件整体架构图6 BCU整体架构电池管理系统软件共分为四层，分别为MCU层，ECU层、服务层和应用层。其中应用层的数据分析与控制模块使用

10、Simunlink搭建，其他使用C代码进行实现，MCU层，ECU层、服务层使用C代码进行实现。主要更改的模块有参数管理模块（标定数据）、数据分析与控制模块（主要控制策略）和电池状态估计模块（SOC估算数据）。3.2. 上电自检BMS上电的自检：在自检时间（上电300ms）到达后，以下各项需正常稳定100ms以上，否则就报自检故障。（1）内网各模块通讯正常（接收到至少一帧报文）；（2）各模块处于正常工作模式（无设备硬件故障）；（3）电池单体最低电压大于过放保护失效阈值；（4）电池单体最高电压低于过充保护失效阈值；（5）电池总压低于过低保护阈值； （6）电池极柱温度高于过低温保护失效阈值；（7）电

11、池极柱温度低于过高温保护失效阈值；（8）电池绝缘阻值检测有效且大于严重报警阈值；3.3. 高压回路控制BMS需控制的继电器：负极主继电器、正极放电继电器、预充继电器、加热继电器（电池加热）、快充继电器、慢充继电器。 BMS需根据充电枪连接状态和整车控制器指令状态对高压继电器进行控制。在检测到充电连接信号时进入的充电过程并对行车过程进行锁止。在充电插头拔下并接收到整车上高压指令时进行预充电控制。 行车过程中，当电池组发生严重故障时需等待整车控制器发出允许BMS主动断开高压继电器时才能主动断继电器，但为了保护电池组，BMS需要将最大允许充电电流和最大允许放电电流设置为0。如果发出最严重故障后15s

12、还未接收到整车控制器的正响应指令，则BMS主动断开继电器。 充电过程完成由BMS主导，电池组发生严重故障时需及时断开充电继电器。3.3.1 电池组禁止充电因素（断充电继电器）(1)交直流充电同时连接；(2)单体过压三级报警/总压过压三级报警/充电过流三级报警/电池高温三级报警/电池组系统绝缘阻抗三级报警；(3)BMS硬件三级故障；(4)充电CAN通讯三级故障；(5)急停开关断开（为了后续扩展预留，目前版本一直是闭合的）； (6)电池组内部保险丝或维修开关故障（总压1检测为0V）;(7)检测到电池箱开盖事件（为了后续扩展预留，目前版本一直是闭合的）；(8)高压互锁检测故障（为了后续扩展预留，目前

13、版本一直是无故障的）。3.3.2 停止充电输出条件（充电需求电流设置为0） (1) 充电过流二级报警/充电警;(2) BMS内部通讯故障（一级故障以上）(3) 充电CAN通讯故障（一级故障以上）(4) 动力电池温升过快三级报警。(5) 温度过低三级报警。(6) 温度过低二级报警。3.3.3 电池组禁止放电因素(1)充电连接确认信号有效；(2)单体过放三级报警/总压过放三级报警/电池高温三级报警/电池低温三级报警/电池组系统绝缘阻抗三级报警/电池组温升过快三级故障；(3)BMS内部通讯故障（三级报警）/BMS硬件三级故障；(4)急停开关断开；（为了后续扩展预留，目前版本一直是闭合的）；(5)上高

14、压故障（无法完成高压预充过程）; (6)检测到电池箱开盖事件（为了后续扩展预留，目前版本一直是闭合的）；(7)高压互锁检测故障（为了后续扩展预留，目前版本一直是无故障的）。3.4. 均衡控制目前版本硬件电路采用被动式均衡方案，在满足均衡条件的情况下对被选中的均衡模块中的最高电压的单体电池进行电阻放电。 图7 磷酸铁锂电池均衡策略3.5.电池组加热控制（1）在充电过程中，最低温度低于设定的PTC开启温度时（0），开启PTC加热，直到最低温度高于PTC加热释放温度阈值（5），加热过程中不可充电。（2）加热1小时后或者达到加热释放温度，则停止加热。（红色字体为G3车型目前使用逻辑，下面为可扩展逻辑）

15、（3）温度在-5之上时，充电和加热同时进行（-5到0之间充电电流为0.15C，0以上充电电流根据电池情况输出）（4）温度在-20 -5且SOC10%时可以使用电池组放电加热（如果车载充电机支持加热模式，也可使用充电机进行加热），温度升高到-5时就立即进行充电； （5）如果温度低于-5且SOC10%，只能通过车载充电机进行充电了（这个得单独确定，目前的软件中在该状态下不允许充电也不进行加热）（6）温度在低于-20时只能使用车载充电机进行充电了（这个得单独确定，目前的软件中在该状态下不进行加热）。（7）需监控PTC加热带的温度，如果温度高于80，则停止PTC加热，如果温度继续高于90，则报加热元器

16、件故障。3.6充电过程参数控制逻辑整个充电过程分为五个阶段：充电停止阶段(或异常充电结束)、涓流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、充电结束阶段。充电过程控制逻辑主要控制充电机的最高输出电压、最大输出电流以及输出使能，其状态转换图如下图所示，在各阶段的充电电流（ChgReqCurrent）、充电电压（ChgReqVoltage）、充电控制使能(ChgEnableCtrl)和充电剩余时间（ChgRemainTime /s）等计算如下：1、CHG_STOP 充电停止阶段ChgReqCurrent = 0;ChgReqVoltage = 0;ChgEnableCtrl = 0;ChgRemainT

17、ime = 0;2、CHG_TRICKLE 涓流充电阶段如果最低单体电压小于单体过放阈值，ChgReqCurrent = 1A;否则 ChgReqCurrent = 5A + （单体最低电压-单体过放阈值）*（设置的恒流充电电流值-5A）/(单体欠压阈值-单体过放阈值);ChgReqVoltage = 设置的充电机最高输出电压;ChgEnableCtrl = 1;ChgRemainTime = (电池组总容量-电池组剩余容量)/ChgReqCurrent.3、CHG_CC 恒流充电阶段ChgReqCurrent =设置的恒流充电电流值;ChgReqVoltage = 设置的充电机最高输出电压;

18、ChgEnableCtrl = 1;ChgRemainTime = (电池组总容量-电池组剩余容量)/ChgReqCurrent.4、CHG_CV 恒压充电阶段如果最高单体电压值大于单体过充阈值，ChgReqCurrent = 0A；如果最高单体电压值小于单体恒流转恒压阈值，ChgReqCurrent =设置的恒流充电电流值;否则ChgReqCurrent = 5A + （单体过充阈值-单体最高电压）*（设置的恒流充电电流值-5A）/(单体过充阈值-单体恒流转恒压阈值);ChgReqVoltage = 设置的充电机最高输出电压;ChgEnableCtrl = 1;当ChgReqCurrent

19、不等于0时，ChgRemainTime = (电池组总容量-电池组剩余容量)/ChgReqCurrent；否则ChgRemainTime = 0.5、CHG_END 充电结束阶段ChgReqCurrent = 0;ChgReqVoltage = 0;ChgEnableCtrl = 0;ChgRemainTime = 0;图 1 充电过程状态转换图4. SOC算法4.1 SOC估计概述 电池技术发展至今，用来估算SOC的方法已经出现了很多种，既有传统的电流积分法、电池内阻法、放电试验法、开路电压法、负载电压法，也有较为创新的Kalman滤波法、模糊逻辑理论法和神经网络法等，各种估算方法都有自己的

20、优缺点，下面对常用的几种SOC方法进行简要介绍：（1）电流积分法 电流积分法也叫安时计量法，是目前在电池管理系统领域中应用较为普遍的SOC估算方法之一。其本质是在电池进行充电或放电时，通过累积充进或放出的电量来估算电池的SOC，同时根据放电率和电池温度对估算出的SOC进行一定的补偿 。与其它SOC估算方法相比，电流积分法相对简单可靠，并且可以动态地估算电池的SOC值，因此被广泛使用。但该方法也存在两方面的局限性：其一，电流积分法需要提前获得电池的初始 SOC 值，并且要对流入或流出电池的电流进行精确采集，才能使估算误差尽可能小；其二，该方法只是以电池的外部特征作为SOC估算依据，在一定程度上忽

21、视了电池自放电率、老化程度和充放电倍率对电池SOC的影响，长期使用也会导致测量误差不断累积扩大，因此需要引入相关修正系数对累积误差进行纠正。（2）放电试验法 放电试验法是将目标电池进行持续的恒流放电直到电池的截止电压，将此放电过程所用的时间乘以放电电流的大小值，即作为电池的剩余容量。该方法一般作为电池 SOC 估算的标定方法或者用在蓄电池的后期维护工作上，在不知道电池 SOC 值的情况下采用此方法，相对简单、可靠，并且结果也比较准确，同时对不同种类的蓄电池都有效。但是放电试验法也存在两点不足：第一，该方法的试验过程需要花费大量的时间；第二，使用此方法时需要将目标电池从电动汽车上取下，因此该方法

22、不能用来计算处于工作状态下的动力电池。（3）开路电压法 开路电压法是根据电池的开路电压（OpenCircuitVoltage， OCV）与电池内部锂离子浓度之间的变化关系，间接地拟合出它与电池SOC之间的一一对应关系。在进行实际操作时，需要将电池充满电量后以固定的放电倍率（一般取1C）进行放电，直到电池的截止电压时停止放电，根据该放电过程获得OCV与SOC之间的关系曲线。当电池处于实际工作状态时便能根据电池两端的电压值，通过查找OCV-SOC关系表得到当前的电池SOC。尽管该方法对各种蓄电池都有效，但也存在自身缺陷：首先，测量OCV前必须将目标电池静置 1h 以上，从而使电池内部电解质均匀分布

23、以便获得稳定的端电压；其次，电池处于不同温度或不同寿命时期时，尽管开路电压一样，但实际上的SOC可能差别较大，长期使用该方法其测量结果并不能保证完全准确。（4）Kalman滤波法 Kalman滤波法是美国数学家卡尔曼（R.E.Kalman）在上世纪60年代初发表的论文线性滤波和预测理论的新成果中提出的一种新型最优化自回归数据滤波算法。该算法的本质在于可以根据最小均方差原则，对复杂动态系统的状态做出最优化估计。非线性的动态系统在卡尔曼滤波法中会被线性化成系统的状态空间模型，在实际应用时系统根据前一时刻的估算值与当前时刻的观测值对需要求取的状态变量进行更新，遵循“预测实测修正”的模式，消除系统随机

24、存在的偏差与干扰。使用 Kalman 滤波法估算动力电池的 SOC 时，电池以动力系统的形式被转化为状态空间模型，SOC 则变成为了该模型内部的一个状态变量。建立的系统是一个线性离散系统。 由于Kalman滤波法不仅能够修正系统初始误差， 还能有效地抑制系统噪声，因此在运行工况非常复杂的电动汽车动力电池的SOC估算中，具有显着的应用价值。不过该方法同样存在两点缺陷：其一，Kalman滤波法估算SOC的精度很大程度上取决于电池模型的准确程度，工作特性本身就呈高度非线性化的动力电池，在Kalman滤波法中经过线性化处理后难免存在误差，如果模型建立得不够准确，其估算的结果也并不一定可靠；其二，该方法

25、涉及的算法非常复杂，计算量极大，所需要的计算周期较长，并且对硬件性能要求苛刻。（5）神经网络法 神经网络法是模拟人脑及其神经元用以处理非线性系统的新型算法，无需深入研究电池的内部结构，只需提前从目标电池中提取出大量符合其工作特性的输入与输出样本，并将其输入到使用该方法所建立系统中，就能获得运行中的SOC 值。该方法后期处理相对简单，即能有效避免Kalman滤波法中需要将电池模型作线性化处理后带来的误差，又能实时地获取电池的动态参数。但是神经网络法的前期工作量比较大，需要提取大量且全面的目标样本数据对系统进行训练，所输入的训练数据和训练的方式方法在很大程度上都会影响SOC的估计精度。此外，在电池

26、温度、自放电率和电池老化程度不统一等因素的复杂作用下，长期使用该方法估算同一组电池的SOC值，其准确性也会大打折扣。因此，在动力电池的SOC估算工作中该方法并不多见。4.2电流积分法估算策略4.2.1.基本思路：上电阶段采用开路电压法进行校准，需静置达到1小时以上。下图为海四达三元电池静态电压测试数据。SOC/%静态电压/VSOC/%静态电压/VSOC/%静态电压/V1004.132553.696103.487984.102503.66093.476964.076453.63783.466944.051403.62173.458924.028353.60963.452904.006303.59

27、453.447853.954253.58043.442803.905203.56233.437753.858183.55123.431703.814163.53713.425653.773143.52303.415603.737123.506整个电压区间约为700mV。其中SOC在35%-40%区间内，静态压差为2.5mV/1%SOC。其他区间内静态压差都大于3mV/1%SOC。BMS的采集精度为5mV，如果要满足SOC估算误差5%，则在所有的区间内均可校准。磷酸铁锂电池最低静态压差仅为1mV/1%SOC，如果在此时依据开路电压进行校准，误差将达到10%。目前仅在SOC较低时（35%）才能进行

28、校准。充放电过程采用安时积分法估算SOC，并根据温度变化修改可用容量。为防止累计误差，仅当温度变化引起的可容容量变化超过3%，才允许修改实际可用容量和剩余容量。放电末期采用动态电压法进行修正，如果电流持续5s稳定在一个范围内（电流不得为零），则利用查表法根据动态单体电压估算实际SOC。三元电池和磷酸铁锂电池修正起始点需进行区分。下图为三元电池和磷酸铁锂电池的放电曲线海四达三元电池放电曲线国轩磷酸铁锂电池放电曲线定义曲线斜率较差区间为平台区，则三元电池的平台区从4V至3.3V，压差为700mV。磷酸铁锂电池平台区从3.25V至3.1V，压差为150mV。下图为三元电池和磷酸铁锂电池每1%SOC对

29、应的动态压差三元电池 动态压差/%1SOC磷酸铁锂电池 动态压差/%1SOC由上图得知，三元电池每1%SOC对应的动态压差最小为4mV，BMS的采集精度为5mV，如果要满足SOC估算误差5%，则在所有的放电区间内均可校准。磷酸铁锂电池每1%SOC对应的动态压差最小仅为1mV，如果要满足SOC估算误差5%，则需在动态压差大于2mV时，才能校准，目前策略为25%以下时进行校准。充电末期（SOC95%）采用动态电压法进行修正，根据最高单体电压估算实际SOC。4.2.2G3车用SOC估算策略（验收材料）SOC分显示SOC和实际SOC。显示SOC用于对用户开放，实际SOC则用于整车策略。同时还需要对单体最大SOC和单体最小SOC进行区分，实际SOC则以两者取其小，有助于保证电池真实情况和SOC的准确。本模块的主要功能是依据实时充放电安时积分式进行SOC计算，依电池组当前状态和运行工况，按电池曲线特点进行SOC修正，SOC变