电池管理系统（batterymanagementsystem,BMS）是由电池电子部件和电池控制单元组成的电子装置，可以控制电池输入和输出功率，监视电池的状态（温度、电压、荷电状态），为电池提供通信接口的系统。
一、电池管理系统的功能
电池管理系统主要是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。电动汽车电池管理系统主要用于对电动汽车的动力电池参数进行实时监控、故障诊断、SOC值估算、续驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警、充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与整车控制器或充电机进行信息交互，保障电动汽车高效、可靠、安全运行，并保证在车辆使用过程中的安全。
1.典型电池管理系统具备的功能
典型的电池管理系统应具备以下功能。
（1）实时采集电池系统运行状态参数 实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。
（2）确定电池的SOC值 准确估计动力电池组的SOC值，从而随时预报电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC值，使电池的SOC值控制在30％～70％的工作范围。
（3）故障诊断与报警 当蓄电池组电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止蓄电池过放电而损害电池的使用寿命；当蓄电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。
（4）电池组的热平衡管理 电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。
（5）一致性补偿 当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿功能。设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电池老化的进度，延长电池的使用寿命。
（6）通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通信 在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估计电动汽车蓄电池的SOC值。
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如图1-37所示为某电动汽车动力电池管理系统所具备的基本功能框图。
图1-37 某电动汽车动力电池管理系统所具备的基本功能框图
（1）电池状态监测 电池状态监测一般是对电池电压、电流及温度的监测，其中温度包括电池温度、电池箱的温度和环境温度。电池状态监测是电池管理系统最基本的功能，它是其他各项功能的前提与基础。
（2）电池状态分析 电池状态分析包括电池的剩余电量评估和电池的老化程度评估。剩余电量评估是动力电池管理系统中最重要的功能之一，系统中的许多其他功能都依赖于剩余电量评估的结果。剩余电量常用荷电状态（SOC）来表示，SOC是指电池中剩余电荷的可用状态，一般用百分比来表示，即电池中剩余的电荷容量与电池的标称电荷容量之比。电池的老化程度也常用一个百分比来反映，也就是说，如果一个电池在“新”的时候的最大容量为1，那么经过多次循环以后，电池所能装载的最大容量相对于“新”的时候的百分比。
（3）电池安全保护 电池安全保护是电动汽车电池管理系统首要的、最重要的功能，过流保护、过充过放保护、过温保护是最为常见的电池安全保护的内容。过流保护指的是在充、放电过程中，如果工作电流超过了安全值，则应该采取相应的安全保护措施。过充保护是指在电池的荷电状态为％的情况下，为了防止继续对电池充电造成的电池损坏，而采取切断电池的充电回路的保护措施。另外，在电池的荷电状态为0的情况下，若继续对电池进行放电，也会对电池造成损坏，此时应采取措施，切断电池的放电回路，这就是过放保护。过温保护是当温度超过一定限值的时候对动力电池采取保护性的措施，过温保护需要考虑环境温度、电池组的温度以及每个单体电池本身的温度。
（4）能量管理控制 能量管理控制包括电池的充电控制管理、电池的放电控制管理和电池的均衡控制管理。电池的充电控制管理是指电池管理系统在电池充电过程中对充电电压、充电电流等参数进行实时的优化控制，优化的目标包括充电时长、充电效率以及充电的饱满程度等。电池的放电控制管理是指在电池的放电过程中根据电池的状态对放电电流大小进行控制。电池的均衡控制管理是指采取一定的措施，尽可能降低电池不一致的负面影响，以达到优化电池组整体放电效能，延长电池组整体寿命的效果。
（5）电池信息管理 电池信息管理包括电池的信息显示、系统内外信息的交互和电池历史信息储存。电池管理系统通常通过仪表把电池状态信息显示出来，告知驾驶员。需要显示的信息通常包括实时电压、电流、温度信息，电池剩余电量信息和告警信息。先进的电动汽车控制，离不开车载信息通信网络。对于电池管理系统，往往同时具有内网和外网两级网络，其中内网用于传递电池管理系统的内部信息，外网用于电池管理系统与整车控制器、电机控制器等其他部件交互信息。历史信息储存并非电池管理系统所必需的功能，但在先进的动力电池管理系统中往往考虑这项功能。历史信息储存可以提高分析估算的精度，有助于电池状态分析，有助于故障分析和排除。
二、电池管理系统的组成
电动汽车电池管理系统的功能和形式主要是根据实际情况确定，受电池类型、电动汽车类型、成本等多种因素影响。
电池管理系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统设计取决于管理系统实现的功能。基本要实现对动力电池组的合理管理，即保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求确定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求确定前向通道的设计；根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总线。
电池管理系统的基本组成如图1-38所示，它主要由检测模块、均衡电源模块和控制模块三部分组成。检测模块能够对电池组中各单体电池的电压、电流、温度等关键状态参数进行准确、实时的检测，并通过SPI上报给控制模块；均衡电源模块能够平衡单体电池间的电压差异，解决电池组“短板效应”；控制模块能够根据既定策略完成控制功能，实现SOC估计，同时将电池状态数据通过CAN总线发送给整车其他电子单元。
图1-38 电池管理系统的基本组成
电池的SOC值是经过对电流的积分得到的，电流信号检测的精度直接影响系统的SOC值的准确度，因此要求电流转换隔离放大单元在较大范围内有较高的精度，较快的响应速度，较强的抗干扰能力，较好的零飘、温飘抑制能力和较高的线性度。
电池的温度是判断电池能否正常使用的关键性参数，如果电池的温度超过一定值，有可能造成电池的不可恢复性破坏。电池组之间的温度差异造成电池组的单体之间的不均衡，从而会造成电池寿命的降低。
电压是判断电池组好坏的重要依据，系统要求能得到电池组在同一时刻的电压值的变化和各电池组的值，通过算法来找出问题电池组，因此电压的采样精度要求比较高。
电动汽车中电机等强电磁干扰源的存在对系统的抗干扰性要求较高，所以要求系统从硬件设计、印制电路板的制作和软件程序方面提高系统的抗干扰性。
三、电池管理系统的要求
电池管理系统的要求分为一般要求和技术要求。
1.一般要求
①电池管理系统应能检测电池电和热相关的数据，至少应包括电池单体或者电池模块的电压、电池组回路电流和电池包内部温度等参数。
②电池管理系统应能对动力电池的荷电状态、最大充放电电流（或者功率）等状态参数进行实时估算。
③电池管理系统应能对电池系统进行故障诊断，并可以根据具体故障内容进行相应的故障处理，如故障码上报、实时警示和故障保护等。
④电池管理系统应有与车辆的其他控制器基于总线通信方式的信息交互功能。
⑤电池管理系统应用在具有可外接充电功能的电动汽车上时，应能通过与车载充电机或者非车载充电机的实时通信或者其他信号交互方式实现对充电过程的控制和管理。
2.技术要求
（1）绝缘电阻 电池管理系统与动力电池相连的带电部件及其壳体之间的绝缘电阻值应不小于2MΩ。
（2）绝缘耐压性能 电池管理系统应能经受规定要求的绝缘耐压性能试验，在试验过程中应无击穿或闪络等破坏性放电现象。
（3）状态参数测量精度 电池管理系统所检测状态参数的测量精度要求见表1-13。
表1-13 电池管理系统所检测状态参数的测量精度要求
（4）SOC值估算精度 SOC值估算精度要求不大于10％。按照规定方法进行试验后，分别比较在不同SOC值范围内电池管理系统上报的SOC值与SOC测试真值的偏差。
（5）电池故障诊断 电池管理系统对于电池系统进行故障诊断的基本项目和可扩展项目分别见表1-14和表1-15。表1-14中所列的故障诊断项目是基本要求。根据整车功能设计和电池系统的具体需要，电池管理系统的具体诊断内容可以不限于表1-14和表1-15所列项目。
表1-14 电池系统故障诊断基本要求项目
表1-15 电池系统可扩展的故障诊断项目
（6）过电压运行 电池管理系统应能在规定的电源电压下正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（7）欠电压运行 电池管理系统应能在规定的电源电压下正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（8）高温运行 电池管理系统应能经受规定的高温运行试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（9）低温运行 电池管理系统应能经受规定的低温运行试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（10）耐高温性能 电池管理系统应能经受规定的高温试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（11）耐低温性能 电池管理系统应能经受规定的低温试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（12）耐温度变化性能 电池管理系统应能经受规定的温度变化试验，在试验后应能正常工作，满足规定状态参数测量精度的要求。
（13）耐盐雾性能 电池管理系统应能经受规定的盐雾试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。厂家如果能够证明电池电子部件或电池控制单元实车安装在车辆内部或者具备防尘防水条件的电池包内部，可不要求该零部件进行耐盐雾性能试验。试验条件的差异性内容需在试验报告中说明。
（14）耐湿热性能 电池管理系统应能经受规定的湿热试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。
（15）耐振动性能 电池管理系统应能经受规定的振动试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。
（16）耐电源极性反接性能 电池管理系统应能经受规定的电源极性反接试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
（17）电磁辐射抗扰性 电池管理系统按规定进行电磁辐射抗扰性试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。
四、电池SOC估算方法
动力电池的荷电状态SOC是反映动力电池当前状态的重要的参数之一，也是整车能量分配策略的重要依据之一。在电池管理系统中，SOC估算是重要的研究内容。
由于无法通过直接测量的方法来得到电池的SOC，因此一般采用间接测量电池其他参数，如电池电流、电压等来估算电池的SOC。常见的估算动力电池SOC的方法有放电法、开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法。
（1）放电法 在某一温度下对电池进行1/3C倍率的恒流放电，直到电池端电压达到最低值（此时SOC=0），此温度和电流下放电容量即为电流与时间的积，SOC值即为放电容量占电池额定容量的比值。放电法是按照SOC的定义去估算的，因此也是最准确的方法，但是此方法只适用于实验室内，而无法在汽车实际运行过程中使用。
（2）开路电压法 电池的开路电压是可直接测量的物理量，其与SOC有一定的联系。一般来说，当SOC处于较高值时，电池的开路电压也比较大。因此可预先通过试验的手段来获取SOC与开路电压两者的对应关系，之后测量电池开路电压即可得到此状态下电池的SOC。这种方法原理简单，操作方便，但在测量开路电压时电池还要单独进行静置处理，因而也无法在实际情况下进行实时测量。
（3）安时积分法 电池在一段时间内放出的容量是电流对时间的积分，故测量电池工作状态下的电流值，计算已放出容量，然后根据电池总容量与已放出容量之差即可计算出当前状态下电池的SOC。该方法是电池管理系统中SOC估算最常用的方法之一，此方法不需要考虑电池模型，但不可避免会产生误差，尤其是SOC估算误差会随着时间而积累，因此需要对SOC进行校正。
（4）卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波法的核心是根据已建立的电池状态模型，利用卡尔曼滤波原理，根据电池工作时的电流、电压以及温度等进行状态递推，得到SOC的实时估算值以及估算误差。需要指出的是由于电池的动态仿真模型并不是线性的，故在利用卡尔曼滤波算法时通常需要将电池的动态仿真模型进行一定处理，从而能够更加精确地对电池SOC进行估算，此方法被称为扩展卡尔曼滤波算法。
（5）神经网络法 神经网络法是依据大量的样本数据和神经网络模型，通过大量的数据分析，实时将SOC与输入端数据建立一定的联系。人工神经网络模型缺少对动态工况的验证，在使用这种模型时，还必须采集大量的变电流工况数据。否则，当燃料电池汽车行驶在复杂工况下时，模型的SOC估计精度势必将受到影响。
随着各种先进算法的提出，SOC估算精度已经得到了明显提高。
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特斯拉电动汽车的核心技术之一就是电池管理系统。
特斯拉电动汽车选用松下的NCA系列型号镍钴铝酸锂电池串并能量包作为动力源，每台特斯拉ModelS使用约节。特斯拉坚持不使用大容量电池单元，是因为小容量的型号锂电池工艺成熟，成本低，安全性好，一旦电池单元出现热失控，不容易影响到周围的电池单元。但是将节的小电池单体组成电池组，将会大幅增加电池单体之间的不一致性，导致单体温度、电荷、电压出现不平衡现象，引起个别电池过充、过放并产生静电反应，从而降低电池组寿命以及安全性。这就是特斯拉的核心技术——电池管理系统。特斯拉电动汽车用锂离子蓄电池如图1-39所示。
图1-39 特斯拉电动汽车用锂离子蓄电池
特斯拉电动汽车对这些电池采用了分层管理的设计，每69个单体电池并联成一个电池模块，9个电池模块又串联成一个电池方块，最后再串联成整块电池板。每个单体电池、电池模块和电池方块都有保险丝，每个层级都会有电流、电压和温度的监控，一旦电流过大立刻熔断。特拉斯电动汽车电池管理系统主要具有以下功能。
1.电荷平衡系统，有效排除故障单体
每个锂电池单体都有一个电压上限和下限，电池在此范围内可正常工作，但一旦单体电压接近这一限值其化学性能将发生突变，必须立即停止放电或充电，否则电池将会受到不可逆的损坏，将会大幅增加电池的自放电率、产生静电反应进而引起爆炸。众多电池单体所组成的电池组大大增加了单体之间的不一致性，导致电池电压的安全范围各不相同，安全性大幅降低。为此特斯拉自主研发单体电荷平衡系统，可有效排除故障单体，保证整车安全性能。特斯拉电池组尾部安装有印制电路板，内置众多电源开关，每个电源开关一端连接某个电池单体，另一端连接一个中型的集电器（单体电荷监控器）。当电池组中某一电池因过充、过放、温度过高导致电量与其他电池不同时，集电器就会将能量在电池之间进行相互转移，防止其电压超过安全范围而产生异变。而当该电池真的产生异变时，电子集成器将控制电路板上相对应的电源开关弹开，从而将此电池单体隔离，避免产生静电反应而引起爆炸。
2.电池温度管理系统，提升整车安全性能
特斯拉高达60kW·h、85kW·h的电池组容量使其运行过程中会释放更多的热量，从而加大了电池组温度过高引起爆炸的概率，这是特斯拉电池管理系统解决的最为核心的问题之一。特斯拉所申请的核心知识产权大都与电池安全控制系统相关，包括电池冷却系统、安全系统、电荷平衡系统等。
电池温度管理系统又包括电池组温度检测系统和电池组液体冷凝系统。
电池组温度检测系统的主要任务是智能温度监测。电动汽车安全性能主要体现在对电池组温度以及电流的控制上，尤其对于大容量的电池组，当电池组过充、过放、碰撞以及运行过程中电池过度发热都会引发电池组温度过高而引发爆炸。特斯拉汽车电池组中的每一个单体电池都连接着一个热敏电阻以及一系列的光导纤维，同时将热敏电阻连接到电池监控器，将光导纤维连接到光敏感应器。当某个单体电池温度超过安全标准时，热敏电阻将产生一个电信号传达至电池监控器以便启动电池冷凝系统，保证电池安全性能。当电池发生热逃逸等现象时，将影响光导纤维中光束的传输，进而刺激光敏感应器发出相应信号进行热度调节。而当汽车发生剧烈碰撞时，电池组与电机的能量传输路径将被立即阻断，电池组外保护层将保护电池组免受碰撞影响，从而避免发生剧烈爆炸。
电池组液体冷凝系统的主要任务是实时温度控制。特斯拉自主研发的机体液体冷凝系统为双模式冷却系统，其中第一层冷却回路专门为电池组降温，电池回路将电池组与冷却泵相连接，回路中充满了冷却剂，且延伸多个冷却管覆盖至每个单体电池。第一层冷却回路将控热系统、通风设备以及其他散热装置与电池组热量管理系统连接起来，从而保证每个单体电池温度低于其安全值以下，保证其散热性以及安全性能。第二层冷却回路包括第二冷却储液罐并与至少一个转动部件进行热交换，并立于第一个冷却回路，保证电池组冷却系统的独立性。
如图1-40所示为特斯拉电池管理系统中的温度管理系统示意图。
图1-40 特斯拉电池管理系统中的温度管理系统示意图
如图1-40（a）所示是一层内部的热管理系统，冷却管道曲折布置在电池间，冷却液在管道内部流动，带走电池产生的热量；如图1-40（b）所示是冷却管道的结构示意图；冷却管道内部被分成四个孔道，如图1-40（c）所示；为了防止冷却液在流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口，如图1-40（d）所示。电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料，其作用是将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触，有利于提高单体电池间的温度均一性，有利于提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。
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