動力電池管理系統（Battery Management System，縮寫BMS），電動汽車動力電池包的低壓管理系統，在整個電動汽車上的位置如下圖所示：

BMS在整車系統中的位置

我們看到，電池管理系統和動力電池組一起組成電池包整體。與電池管理系統有通訊關系的兩個部件，整車控制器和充電機。電池管理系統，向上，通過CANbus與電動汽車整車控制器通訊，上報電池包狀态參數，接收整車控制器指令，配合整車需要，确定功率輸出；向下，監控整個電池包的運行狀态，保護電池包不受過放、過熱等非正常運行狀态的侵害；充電過程中，與充電機交互，管理充電參數，監控充電過程正常完成。

大型動力電池包

電池管理系統，總的來說，都是由主控模塊和采集模塊或者叫從控模塊共同構成的。單體電壓采集、溫度采集和均衡功能一般分配在從控模塊上；總電壓，總電流的采集，内外部通訊，故障記錄，故障決策，都是主控模塊的功能。

BMS功能結構

按照采集模塊和主控模塊在實體上的分配布置不同，BMS分為集中式和分布式兩種。

形式上，整個管理系統安置在一個盒體裡。全部電壓，溫度，電流采集信号線，直接連接到控制器上。采集模塊和主控模塊的信息交互在電路闆上直接實現。這種形式一般用在總體電壓比較低，電池串數比較少的小型車上。

可取之處在于，省去了從闆，進而省去了主闆從闆之間的通訊線束和接口，造價低，信号傳遞可靠性高。

缺點也很明顯，全部線束都直接走線到控制盒，無論控制器布置在什麼位置，總有一部分線束會跑長線。信号受到幹擾的幾率增加，線束質量和制作水平以及固定方式也受到考驗。

一個主控盒和幾個從控盒共同組成。主控盒隻接入通訊線，主控負責采集的信号線，給從闆提供的電源線等必須的線束。從控盒，布置在自己負責采集溫度、電壓的電池模組附件，把采集到的信号通過CAN線報告給主控模塊。有的電池模組，直接把電壓、溫度采集線做在模組内部，用一個線對線連接器引出。電池包組裝時，直接對插連接器即可。

分布式，主要應用于高電壓系統，電池串數多，或者商用車這種一輛車上布置幾個電池箱的情況。

這樣的設計，确實帶來了成本的小幅提高。但同時減少了線束應用，降低了現場接線工作量，也就降低了接線錯誤的幾率。分布式，是适合于大批量，自動化生産的設計形式。

從控模塊，一般隻具備電壓、溫度采集功能和均衡功能。由于電池系統要求的功能越來越多，也有廠家開始給從闆添加控制功能，例如增加接觸器觸發端口，用以控制分布在從闆附近的電器，像加熱器、滅火器之類。

均衡功能，作為從闆反作用于電池包，起到優化電池系統功能的一項能力需要多說一句。

均衡，分為主動均衡和被動均衡。

所謂主動均衡，是能量的轉移，基于削峰填谷的理念。具體的實現形式多種多樣，有用變壓器将總能量部分的轉移到電壓偏低的電池上的，也有利用電容電感等儲能器件，從電壓高的電芯放出一部分能量，再充入電壓低的電芯。

所謂被動均衡，是能量的消耗，把電壓高的電芯接入電阻回路，讓多出來的電量消耗在電阻上。

二者各有優劣之處。

主動均衡，可以做到比較大的電流，均衡的效果比較明顯；能量隻是轉移了一下，沒有消失，是一種節能的工作方式。但主動均衡需要的變壓器、電容、電感等器件，體積比較大，造價比較高，使得理論上具備優勢的主動均衡策略至今還沒有得到普遍的應用；

被動均衡，受電阻發熱的限制，均衡電流無法做的太大，故而效果不是特别理想。但優勢在于，體積小，系統結構簡單，造價低。在産品要求不是特别高的場合，客戶反而會選擇被動均衡系統，以提高産品性價比。同時，通過每隔一段時間，對電芯進行維護，來解決均衡不充分造成的電池壓差偏大問題。

不同廠家設計的功能略有差距，并且随着技術的發展和市場對電池管理系統要求的提高，一些功能逐漸被增加進來。

監測采集方面的功能：電池包總體參數采集和計算，比如總電流，總電壓，最高最低單體電壓，最高最低溫度點溫度，絕緣情況。

電池包狀态估計和管理：荷電狀态SOC，健康狀态SOH，安全狀态SOF，功率狀态 SOP，功能狀态SOF，以及熱管理等等。

SOC，當前電池荷電量占當前總體可用容量的百分比，表征當前剩餘電量的多少，反應在車輛儀表盤上可能變成了剩餘裡程數。

SOH，各家定義略有不同，主流是按照當前電池包總容量占新電池初始容量的百分比，表征電池包老化程度的一個重要參數。實際上，國标要求的動力電池退役指标，就是按照容量特征來定義的。

SOP，動力電池的放電能力，随着SOC的降低，以及環境溫度的變化，會有所不同。剩餘電量太少，溫度過高或者過低，電池包都需要降低功率工作，以保護電池不受不可逆的損傷，避免發生熱失控事故。

SOF，是個比較新的概念，由SOC和SOH共同确定，如下圖。

SOF示意圖

目前主流的大家都在做的是SOC，随着加入電動汽車生産競争行列的廠家越來越多，市場越來越成熟，安全和性能的要求也會日益提高。其他幾個有用的狀态估計，應該會逐漸成為BMS算法設計的必選項。

熱管理

前面幾個功能都是對電池包當前狀态的反應，而熱管理功能，則使得電池管理系統能夠對電池包施加主動作用。電池溫度過高時，熱管理系統開動冷卻功能，電池溫度過低無法啟動行車時，熱管理系統開動加熱功能。對于主控模塊，熱管理隻是一套算法和幾個接觸器控制端口。熱管理技術含量，主要集中在冷卻加熱設備以及與之匹配的冷卻出現冷凝水、風冷解決密封等級等等具體問題上。

具備熱管理功能，對整個電池系統意義重大，是設計者能夠阻止熱失控發生的重要手段，是從設計上保障動力電池安全和延長使用壽命的不二法門。

絕緣監測

實時監測電池包系統的絕緣情況，由于對電氣系統的影響重大，絕緣故障被定義為級别最高的故障類型。

動力電池包的安全問題，從根本上說都是電池系統熱失控問題。系統散熱能力與系統生熱能力不匹配，熱量在系統内積累，電池溫度上升，最終導緻燃爆等惡略後果。借用一張圖來說事。

锂電池熱失控示意圖

上圖體現的是性能正常的電芯，熱量積累引發熱失控的過程。撞擊，穿刺等機械損傷造成的熱失控，不在這張圖的描述範圍。

锂電池負極SEI膜，是在系統溫度上升過程中，最先出現失效的結構，反應起始溫度在90到100°左右。考慮電池的内外溫差以及保留部分冗餘設計，這就是我們的電池包工作溫度上限一般設置在50到60°之間的原因。

正常使用中，防止熱失控，一方面避免過多熱量的産生和積累；另一方面，提高熱管理水平，讓電池在它最适合的溫度環境下工作。

在過高溫度下使用

原因如前面所述，從锂電池負極SEI膜溶解開始，失去保護的負極與電解液反應放熱，電解液分解放熱，正極分解放熱，這些熱量積累起來，反應逐漸加劇，反應從一隻單體蔓延到附近電芯，一個模組的反應，給整個電池箱内的電芯加熱，這就是所謂熱失控的過程。

在過低溫度下使用

電池包都會标注一個使用溫度範圍，低于下限溫度，電池也是無法正常工作的。低溫放電，理論上沒有跟熱失控有明确關聯，但低溫造成電解質活性降低，導電能力變差，進而導緻放電能力變差，就是我們所謂的放不出電來，車子沒勁兒。如果是低溫強行充電，則會造成負極析锂問題，容量會受到永久損傷不說，析出的锂積累在那裡，是熱失控的重要原因。

過大倍率使用

超過電芯允許能力的大倍率放電，系統熱量不能及時散去，熱量積累，逐漸加大了熱失控的風險。同時，過大倍率的放電，使得正極材料的锂離子嵌入過程超速進行，造成正極晶格坍塌，容量永久性損失。

大倍率充電，使得锂離子通過SIE膜的速度低于锂離子向負極積聚的速度，出現锂單質在負極表面堆積現象，如果過程反複進行，锂枝晶不斷生長，最終會刺破隔膜，造成内短路，引發熱失控。

過充過放電

過充，充電截止電壓超過了電芯的最高電壓，造成正極活性材料晶格塌陷，锂離子脫嵌通道受阻，使内阻急劇升高，産生大量熱；負極堆積了過量的锂單質，附着在負極表面，所謂析锂現象。正負極的反應過程都容易最終走向熱失控。

過放，本來應該是锂離子從負極脫出，嵌入正極晶格，但負極沒有那麼多的正離子可以提供，使得負極的集流體銅排失去銅離子，銅離子遊離在電解質中，附着在正極或者負極，都會造成整個系統的失效。

BMS從闆

對于熱失控風險的防範，BMS主要是起到監督作用，防止電池濫用發生。

溫度，BMS有明确的工作溫度阈值設置，針對充電，放電均有最高最低的溫度限制，超過設置限制，系統不得開啟或者必須降功率運行；

電壓，針對過充過放風險，BMS設置有最高最低的充電和放電電壓阈值，确保在觸及電壓阈值時，系統自動停止運行。

熱管理，根據電池包的理想工作溫度，命令冷卻加熱系統工作，防止過冷過熱情況的出現。

消防，按照國标要求，商用車已經強制添加消防功能，系統出現消防風險，會采取報警和噴射滅火劑等措施。隻是，當前的消防探測技術和算法都還沒有得到充分發展，充分的發揮作用還需要一些時間。

比如前文提到的一些狀态估計SOH、SOF等，精确的狀态估計，是動力電池恰當使用的前提，這方面的研究也在日益增多。

精确的溫度反饋能力，理想的溫度監測應該能夠反映每顆電芯的實時溫度，當前，由于技術和成本問題，還無法做到。

動力電池安全是電動汽車推廣的一個瓶頸，電池管理系統除了強化被動監控能力以外，加強均衡和熱管理等主動作用于動力電池的能力，是除了加強電芯、模組等自身設計安全性以外，從本質上提高系統安全性的根本所在。

來源：新能源汽車科普 公号 汽車原野

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