摘要 - 本文聚焦于电动车辆和固定应用中电池管理系统（BMS）的硬件方面。目的是概述现有先进系统中的概念，使读者能够了解在为特定应用设计BMS时需要考虑的因素。在简要分析一般要求之后，研究了电池组的几种可能拓扑结构及其对BMS复杂性的影响。以从市售电动汽车中选取的四个电池组为例进行说明。随后，讨论了所需物理变量（电压、电流、温度等）测量的实现方面，以及平衡问题和策略。最后，探讨了安全考虑因素和可靠性方面。
1.简介
电池管理系统（BMS）复杂性依应用而定。简单如手机或电子书阅读器的单电池，用简单“电量计”IC即可，它能测电压、温度和电流并估计荷电状态（SOC）。复杂如电动汽车，BMS需完成更复杂任务，除测量电池电压、温度和电流等基本参数外，还需先进算法确定可用能量以计算巡航里程。 这项工作聚焦锂离子电池管理系统硬件方面。第2部分介绍BMS硬件要求，包括测量值、电磁干扰、电隔离、接触器和冗余等。第3节概述BMS拓扑结构，阐明简单与复杂应用差异并给出电动汽车电池组实例。第4节解释如何满足物理值测量要求及常见陷阱。第5节讨论平衡，介绍并比较电荷均衡方法。第6节重点介绍安全性和可靠性，包括操作高压电池组的风险及对策，还简要介绍绝缘测量方法和相关标准。2.电池管理系统（BMS）的设计要求
设计BMS是一项复杂的任务，需考虑应用的特定需求、系统环境以及所采用电池的特性，由此可得出一系列系统要求。 通用要求概述
一般来说，以下BMS组件和功能要求通常具有相关性： 温度采集
传感器选择与放置：设计BMS时精确温度采集困难，需考虑传感器类型（数字或模拟）及测量电池组温度的位置，这决定了电池温度传感器数量。有时还需采集接触器、保险丝或母线温度。通常温度传感器与电压传感器通道有一定比例。 不同应用场景的温度要求：温度要求需考虑充电、放电和存储三种情况，同时要注意热时间常数。锂离子电池在特定温度范围外无法正常工作，且在正常温度范围但高电流率时可能发生锂 plating现象，因此要精确采集温度、电压和电流。电池的热电容和热导率受电池结构等因素影响，温度传感器放置不当可能导致误读和热盲点。 电压采集
采集通道与精度：基于锂离子电池的经典BMS至少需为每个串联电池配置一个电压采集通道，部分汽车应用还有二级保护（通过可编程窗口比较器实现）。电压采集的数据转换率因应用而异，常用的BMS前端芯片有一定的电压精度和分辨率。 对SOC估计的影响：以NMC和LFP型电池为例，说明电压采集精度对SOC估计有很大影响，精度越高，SOC估计越准确，且仅用电压数据确定SOC可能不够。 ![]()
图1.SOC不确定性的比较取决于±1 mV的电压精度。
电流采集
采集方法与传感器特性：确定SOC除了可通过开路电压（OCV）测量外，还可使用库仑计数法（测量电流并积分）。但电流传感器存在非理想特性，如漂移、偏移和温度误差，且可能需同时满足不同的测量范围要求以及具备一定带宽。 实际应用中的问题：在实际应用中，仅依靠库仑计数法确定SOC不准确，尤其是在低电流工况下。为解决此问题，可结合算法和参数化模型处理电流数据，但这超出了本文讨论范围。 通信要求
系统内通信：BMS需与整个系统（如车辆中的电力电子、能量管理或车辆控制单元）通信，需考虑通信方式、速度、鲁棒性和可靠性等因素。例如车辆中可能需提供CAN接口与系统通信，不同应用可能已在系统层面确定了通信要求，BMS需适应。 模块间通信：对于模块化系统，需定义主从模块间的通信方式，基本要求与系统间通信类似，具体例子可在后续章节找到。 电磁干扰（EMI）防护
EMI对传感器的影响：EMI可能影响传感器采集数据，所有传感器都易受其影响，可能导致数据轻微失真或完全无用。 减少EMI影响的措施：为减少影响，电机、电力电子元件和其他负载应进行良好的EMI设计，可采用适当的EMI滤波设备，如共模扼流圈和阻塞电容器，并靠近传感器测量路径安装。 接触器相关要求
接触器的作用与要求：大多数电池组要求能电气断开至少一个电极，这需要合适的接触器。由于直流电流断开和灭弧的特殊性，接触器需有磁吹灭弧装置，且应避免接触焊接。 安全操作措施：为确保安全，在接触器开关操作时需特殊电路（如预充电单元，由串联的接触器和电阻组成）来保证两端无电位差，避免出现危险情况。 冗余要求
冗余对系统可靠性的作用：根据ISO 26262标准，冗余可提高系统可靠性。电池电压通常会在一定程度上冗余观测，有主芯片精确测量和辅助芯片提供二进制信息两种方式。 更高层次的冗余概念：在更高层次的处理中也存在冗余概念，如特殊CPU中的锁步、内存纠错和自测试机制等。 电气隔离要求
电池组隔离：电池组通常分为高压和低压部分，两者需电气隔离，可通过光学、电感或电容方式实现。 热传感器隔离：所有热传感器也需电气隔离，以避免高压故障影响低压部分，类似于电源分配IT网络布局的概念。 平衡要求
电荷不平衡的影响：串联电池之间可能存在电荷不平衡，会影响系统性能和可靠性，一般要求将其保持在较低水平。 特殊应用考虑因素：不同应用可能有特殊考虑因素，如重量约束或充电电流要求等，这些因素可能导致平衡电流的产生，第5节将进一步介绍平衡的必要性和实现方法。 其他要求
应用相关要求：应用可能还会产生一些其他要求，如空间、成本、硬件机械强度、重量和功耗等，虽不是本文重点，但也需考虑。3.BMS的拓扑结构
电池系统结构概述：为满足系统电气规格，电池常需组合成电池组，有多种连接拓扑。串联可实现特定电压范围，降低电流；并联可增加容量。实际应用中存在不同变体，如小容量电池并联成模块后串联，或直接使用大容量电池串联。不同拓扑对BMS复杂性有不同影响，如多串电池并联会增加监测和平衡等方面的成本。 ![]()
图2.不同电池组拓扑的示意图：（a）单电池；（b） 两个电池的并联连接；（c） 三个电池的串联连接；（d） 两串三个串联电池的并联连接；（e） 由两个并联电池组成的三个模块的串联连接。![]()
表1.拓扑变体的特征如图2所示。
举例说明电池连接方式与电压测量通道需求：如m个串联电池和n个并联电池的组合，不同连接方式所需电压测量通道数量不同。 特殊情况讨论：在一些特殊应用（如欧洲空间局的火星探测器和罗塞塔探测器）中，因尺寸、重量和功耗等因素，可能不进行单电池监测和平衡。虽有观点认为精心挑选同批次电池可省略监测，但研究表明即使同批次电池老化行为也可能不同，省略监测可能存在风险，不过对于小系统且电池电压在一定范围内时，省略监测的影响可能较小。 集成电路（IC）相关
基本监测功能的IC：为实现电池安全运行的基本监测功能，半导体制造商提供多种专用集成电路（ASICs）。对于单电池的小型电子设备，有“燃料计”IC，可监测电压、电流和温度，并估计SOC，还可能包含充电调节器等功能。例如TI的“bq27220”和Maxim的相关IC。 高功率和能量需求系统的IC
模块化与功能分配：对于高功率和/或高能量需求的应用，电池组由多个电池组成，相关IC可同时监测多个电池并提供平衡功能。系统中存在中央模块（BMS - Master）负责复杂功能，如SOC估计和功率预测算法；前端IC模块（BMS - Slaves）负责基本功能，如信号采集和滤波。 ![]()
图3.电动汽车应用的典型BMS结构。
不同IC示例及平衡方式：如TI的bq76PL536A、MAX11068和LT6802G - 2提供被动平衡，AMS的AS8506C可用于被动平衡拓扑，也提供主动平衡能力。部分IC有继任产品，且为提高电压监测可靠性，可使用二级保护IC，完全冗余的BMS虽能提高可靠性，但成本高。 通信和数据传输
前端IC连接方式：前端IC通常可通过菊花链连接，不同IC有不同接口方式。如MAX11068通过I2C端口，TI的bq76PL536A提供多种接口，LT6802G - 2通过SPI总线（需额外数字隔离器）。 系统通信方式：在系统中，通常使用低 - 成本微控制器连接同一PCB上的IC，并通过现场总线（如CAN）连接其他PCB上的模块和BMS主模块。 实际案例
三菱i - MiEV：电池包含多个模块，通过螺丝连接，有88个棱柱形电池。模块上的PCB含监测IC和温度传感器，电池组外壳含多种组件，BMS主模块位于车辆后排座椅下方，通过内部CAN总线通信。与其他电池相比，其内部空间较充裕，可能是空气冷却的副作用。 ![]()
图4.（a） 三菱i-MiEV电池组；（b） 大众e-Up电池组；（c） smart fortwo电动驱动的电池组。注：缩放方式不同。
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图5.（a） 特斯拉Model S电池模块俯视图；（b） 大众e-Up电池模块，6s2p模块，俯视图。注：缩放方式不同。
Smart Fortwo电动版：电池由90个串联的pouchbag电池组成，有冷却系统，基本监测任务由TI的IC完成，与bq76PL536A类似。每个PCB含多个监测IC和微控制器，BMS主模块位于电池壳内，集成度高，电缆少。 大众e - Up：电池包含多个串联模块，无冷却系统和服务断开装置，BMS模块集中化，通过大量电压测量线连接电池和测量IC（MAX11068），有大量平衡电阻，无转换信号的微控制器。 特斯拉Model - S：电池由大量18,650电池组成，分为多个模块，通过bond - wires连接，BMS使用TI的bq76PL536A - Q1监测，通过焊接线测量电压。与其他电池相比，其集成度不同，如大众e - Up集成度低，Smart Fortwo集成度高。4.HV电池系统测量技术概述
测量技术的重要性：测量技术是电池管理系统的关键组成部分，可确定SOC、SOH、SOF等状态变量，通常测量电池系统的电池电压、总电压、总电流和温度等变量。通过这些状态变量可保护电池系统免受过充或过放等损害，还能优化电池系统的利用。传感器要求：根据电池存储应用确定传感器的典型要求，包括成本、带宽、精度、测量范围和尺寸等，第2节已详细介绍。电流测量
测量方法分类：电流采集设备分为电气连接式和隔离式两种基本传感器技术。常用的分流电阻电流传感属于电气连接式，霍尔传感器是隔离式的一个例子。 除传感器技术外，还需考虑在电池组中的位置，对于包含多个可切换串的电池系统，每个电池串都应配备一个电流监测设备，以便追踪功率不平衡情况。分流电阻测量
测量原理与特性：通过低电阻高精度电阻与高精度电压测量系统结合测量电流，电阻位于电流路径上，电流通过时会产生功率损耗和温度上升。选择电阻时需平衡损耗和产生合适电压降的需求，高精度测量时还需考虑电阻的温度系数和长期稳定性。 该方法可用于测量直流和交流电流，具有简单、线性和可实现高带宽等优点，但测量范围受电压测量精度限制。 低侧与高侧测量比较
低侧测量是指电阻位于电池正极和负载之间，其优点是输入共模电压低，可使用大量电流 sense放大器，电路简单且成本低，但会干扰地路径，无法检测高负载电流旁路。 高侧测量是指电阻位于负载和电池负极或地之间，其优点是可避免地路径干扰，能检测短路，但需要对放大器输出进行电平转换，且要求放大器能承受高共模电压。接触less电流传感器（霍尔传感器等）
测量原理与优势：利用电流产生的磁场进行测量，如霍尔传感器基于霍尔效应，不增加电流路径电阻，无附加导电损耗，具有电气隔离优势，无需额外的光耦合器或数字绝缘体进行信号调理。 霍尔传感器可作为集成电路购买，放置在电流路径上，其输出需过滤，也有完整模块可供使用，模块由含霍尔传感器的铁氧体环等组成，能提供电气隔离。 传感器特性与局限性：主要缺点是带宽有限，通常不高于几十kHz，且输出信号有温度漂移，需要补偿。若电池系统需要更高带宽，应使用分流电阻测量，且霍尔传感器成本较高、体积较大。电压测量
- 电池组电压测量的区分：在锂离子电池组中，需区分测量每个电池的电压和电池组总电压，两者电压范围不同，且所有电池电压之和应等于总电压，可作为合理性判断标准。
- 电池电压测量：通常由集成的BMS前端芯片完成，市场上的芯片可连接的电池数量不同，还可通过二级监督IC提高冗余和系统可靠性。
- 电池组电压测量：由单独的测量单元完成，包括分压器、阻抗转换器、滤波器和模数转换器（ADC）。分压器用于将电池组电压降低到合适范围，可能需要多个电阻确保安全，还需配合齐纳二极管保护后续电路，同时使用阻抗转换器、滤波器和ADC来获取测量电压。
温度测量
- 常用温度传感器类型与原理：常用的温度传感器有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）型，通过测量恒定电流下的电压降来实现温度测量，其电阻随温度变化，在一定温度范围内可用，但存在非线性问题。
- 传感器使用中的问题与解决方法：由于非线性，在数字处理链中需使用查找表来校正温度计算。也有一些使用数字接口的传感器更方便使用，但在电池组中靠近高功率路径放置时需注意EMI问题。其他测量方式如金属PTC和热电偶可提供更高精度和更宽温度范围，但电子复杂性更高。
数据传输
不同通信总线的特点与应用场景：BMS模块之间以及BMS与整个系统之间需要通信。车辆环境中常用CAN总线，具有灵活性和抗噪性；LIN总线较简单但速度慢、灵活性差且非差分，适用于对成本要求高的场景；其他短距离通信接口如SPI、I2C和OneWire总线不适合长距离、易受干扰的模块间通信；若CAN总线速度不够或需要实时确定性能力，可使用FlexRay总线或以太网。5.电池平衡
电池SOC差异的原因：在串联连接的电池中，由于生产差异以及不同的运行和环境条件（如温度），会导致电池间的不均匀性。这些因素会引起不同的初始条件、老化和自放电率，进而导致SOC、容量和电阻值出现偏差。本部分主要关注SOC和容量的差异，不涉及内阻差异。- 研究表明，即使初始容量相同且负载相同的电池，其容量在使用后也会出现差异。例如18,650个初始容量相同的电池，以剩余容量80%为寿命终止标准，其循环寿命在1000 - 1500次之间。同时，不同电池的自放电率也存在差异，如在40°C存储的商业软包电池，自放电电阻在10kΩ - 14kΩ之间变化。![]()
图6.（a） 几个电池单元不平衡的原因，数字基于[57]；（b） 不同平衡方法的分类，所示非耗散方法的名称是指能量转移的方向。
平衡的必要性：SOC、容量和内阻的差异会导致电池组可用能量降低，可通过平衡电路解决。平衡方法概述
硬件实现方式：文献描述了多种平衡电路的硬件实现方式，可分为不同拓扑结构，也可按控制方法（如主动/被动）或商业可用性分类。
商业应用中的平衡方式：大多数商业电池组使用受控的被动平衡系统，通过在电池两端并联平衡电阻实现。这种方式只能解决SOC变化问题，其平衡电流较小（约100 mA）且不随电池容量变化，可能受限于BMS的能量 dissipation或电池与监控电路间的电缆直径。每个电池或电池并联组合都有一个可切换的平衡电阻，其电阻值在30Ω - 40Ω之间（假设电池电压为4.2V），每个电池消耗功率在387 mW - 430 mW之间。
解决不同容量问题的方法：要解决不同容量问题，需要更复杂的方法，利用电力电子在电池之间重新分配能量，但这些方法需要复杂的控制算法和昂贵的电感，虽然已有相关的BMS IC产品，但在商业汽车电池组中尚未广泛应用。
6.安全与可靠性
降低风险的总体目标：BMS的主要目的之一是降低电池组中锂离子电池运行相关的风险。![]()
图7.电池电压采集前端的等效电路模型，显示了感测线故障的可检测性。
具体安全措施
高压安全：通过绝缘监测和互锁电路确保电池组高压安全，可降低因污染或冷凝导致的电弧风险，同时BMS硬件设计应遵循相关标准确保PCB和连接器的爬电距离和电气间隙。
电气隔离：在与其他控制单元或辅助电源接口处，要确保与高电池电压的电气隔离，可使用符合“强化隔离”标准的隔离设备，传统使用光耦合器，现在“数字隔离器”IC性能更优。
防火措施：在电池组内放置温度传感器并对临界温度做出反应，还可使用传感器less温度检测方法（如电化学阻抗光谱法）以及新的温度测量方法来降低火灾风险。
接触器与熔断器：使用接触器断开电池组与系统连接，同时配合熔断器，考虑两者操作特性及电池组内寄生电容和电感对熔断器选型的影响。
电池内在安全：BMS要确保电池在规定温度范围内充电，避免低温锂 plating和深放电后运行，同时可利用诊断算法检测内部短路。
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图8.绝缘测量：（a）IT连接中的绝缘；（b） 绝缘测量示意图。
BMS硬件设计相关问题
绝缘测量
绝缘测量的重要性与系统结构：电动或部分电动车辆高压系统通常构建为IT网络，需检测第一次故障。测量绝缘电阻时需考虑系统的电容和电阻特性，电容会对测量造成干扰。
常见测量方法：常见方法包括使用环形线圈测量共模电流以及通过开关和电阻改变系统与底盘之间的电位来计算绝缘电阻，还有其他更简单或复杂的方法也被介绍。
绝缘测量标准：绝缘测量有相关标准规范测量方法和最小绝缘电阻要求，不同标准在测量方法、电阻值和测量时间等方面有所不同。
7.总结
通用要求与设计考虑：本文介绍了BMS硬件的常见概念，从通用要求出发并给出了实现考虑。设计过程应包含尽可能多的参数，但要求应根据目标设备需求设定，不同应用的需求差异很大，这些要求是电池包设计考虑的良好起点。
BMS拓扑结构：电池系统结构影响BMS拓扑，一些应用为降低重量或复杂性采用了特殊监测方法，如第3.3节对比的四种商业电动汽车电池，它们因应用相似有一些共性（如使用CAN通信），但在集成度和内部通信方面存在差异。 物理值测量：第4节详细介绍了所需物理值的采集和传输方法，不同测量需求需根据应用约束和需求选择不同方法。 平衡问题：第5节描述了串联电池电荷不平衡的原因及补偿方法，目前被动平衡是最常用的方法。 安全与可靠性：第6节概述了安全方面的内容，包括遵守电池工作范围确保寿命以及保障用户免受高压危害，介绍了绝缘监测的标准方法，同时提到电池保护时需考虑系统级风险。
