為了保護電芯和整個電池包不受放熱反應的影響，需要一個電子**電路，即電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS重要的功能是**防護，使電池系統(tǒng)中電芯的電壓、溫度和電流不超過規(guī)定的極限。一般來說，BMS是一種模擬和/或數字電子設備，預期可達到以下主要目標和要求：
提高電池系統(tǒng)的**性和可靠性。
保護電芯和電池系統(tǒng)免受損壞。
提高電池的能量使用效率（增加續(xù)駛里程）。
延長電池壽命。
基于以上要求可以派生出BMS的功能，這些功能可以分為五個領域：傳感和高壓控制、保護、接口、性能管理、診斷。
在一個集中的BMS中，電芯監(jiān)控單元、模塊管理單元和包管理單元被整合到一個單一的印刷電路板，它處理BMS所需的所有任務，并直接連接到電池。
在模塊化BMS拓撲結構中，模塊管理單元被劃分為多個單獨的實例，這些實例可以放置在靠近電池模塊的位置，從而降低了布線的復雜性。模塊化拓撲的另一個**變體是主從拓撲。在這里，從機的功能和元素被減少到小，與整個電池系統(tǒng)相關的功能只在主機上實現。
在本研究中，我們分析了29個不同制造商的40個商業(yè)BMS。39種BMS改型中，有37種來自西歐、北美、日本或中國的制造商。其中只有一家位于澳大利亞，其余一家位于韓國。
分析發(fā)現這些產品中有18個具有集中的拓撲結構，有22個具有模塊化拓撲結構。此外，在22個模塊化BMS中，有20個旨在管理純電動汽車的電池組，而18個集中系統(tǒng)中有13個只適用于200V及以下的應用。
盡管其中一些集中式BMS允許互連，從而建立更大的分布式拓撲，但高壓應用更可能由模塊化BMS組成，部分原因是與模塊化系統(tǒng)相比，在集中式系統(tǒng)中處理絕緣問題更具挑戰(zhàn)性。日產Leaf的360 V系統(tǒng)是個例外。然而，模塊化系統(tǒng)的一個缺點是需要大量的通信和電源電路，因此成本相對較高。
分析表明只有7個BMS沒有明確打算在BEVs中應用，因此它們不能在高壓下工作。此外，7個中有5個是集中拓撲結構。
在本研究中幾乎所有的BMS都至少使用一條CAN總線通信線路。CAN總線廣泛使用的原因可能是在汽車環(huán)境中易于與其他通常使用CAN通信的控制器連接。無線BMS可以用無線網絡取代模塊之間的內部通信，具有潛在的優(yōu)勢包括減少組裝過程中的線束、連接器和布線工作。然而，無線BMS面臨的一個挑戰(zhàn)是汽車內部和外部實體電磁噪聲對無線網絡的干擾，可能會產生**問題。
在研制BMS過程中，為了保證電池系統(tǒng)的**運行需要考慮多方面的因素。在過去的幾十年里，電氣和電子系統(tǒng)的硬件和軟件部分的開發(fā)出現了**標準。
本研究考慮將ISO 26262標準“道路車輛-功能**”（源自通用工業(yè)標準IEC 61508）應用于BMS開發(fā)。
引言
鋰離子電池存在的問題
在過去的十年中，鋰離子電池在能量密度和成本方面的持續(xù)改進，使得鋰離子電池成為電動汽車（EV）的優(yōu)選能源。根據全球電動汽車展望2016年的報道，插電式混合動力汽車（PHEV）電池包的能量密度從2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L，顯著提高400%。另一方面，數據顯示同一時間段內成本從1000美元/千瓦時下降到268美元/千瓦時，降幅高達78%。
在某些特定的情況下，整車廠宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成績。例如，通用汽車（General Motors）宣布，其雪佛蘭Bolt的電池成本在2015年10月降至145美元/千瓦時，預計到2022年將降至100美元/千瓦時以下。另一家有名的純電動汽車（BEV）制造商特斯拉（Tesla）的目標是在2020年之前打破100美元/千瓦時的障礙。2022年xEVs的實際目標：125美元/千瓦時、400 Wh/L和250 Wh/kg，這將使新能源汽車實現對傳統(tǒng)內燃機汽車（ICEV）的成本競爭力，并具有****的續(xù)駛里程。
然而，盡管鋰離子電池技術在過去的十年中表現出色，主要是因為其良好的能量和功率密度，但它既不是一項成熟的技術，也不是在所有可能的運行條件下都是**的。鋰離子化學非常容易受到溫度、過電壓、深放電和過電流等條件的影響，這些條件在實際應用中可能對電池造成損傷，因此鋰離子電池需要復雜的**管理技術，此外隨著能量密度提升電池的風險越來越高。
隨著研究的不斷深入，熱失控已被確定為鋰離子電池的主要**隱患。熱失控往往是在濫用的條件下造成的，例如過熱、深度放電、大倍率充電特別是低溫時的大倍率充電、大功率脈沖、擠壓，導致內部或者外部短路。在能源儲存系統(tǒng)中有效和**地利用，鋰離子技術除了易受極端使用條件下的影響外，還必須考慮如下因素：
為了給電動汽車驅動系統(tǒng)提供所需的電壓和電流，許多鋰離子電池必須串聯或/和并聯，因此需要確保高壓**和維護**。
鋰離子電池容量會隨著使用壽命的延長而衰減，內阻也會增加，這種現象被稱為老化，有循環(huán)老化和日歷老化之分，周圍介質的溫度、電池包內溫度梯度都會影響老化過程。
串聯鋰離子電池在正常運行過程中老化特性的擴展，以及電池自放電速率的差異，導致電池電荷不均衡。這種不均衡降低了電池包的可用總容量，要么是因為電荷少的電芯決定了放電的結束（即使其他電池包中仍然存儲著可用的能量），要么是因為電荷多的電池決定了充電過程的結束。忽略這兩種極端情況終會導致深度放電或過充，這可能導致熱失控現象的發(fā)生。更重要的是電池容量的降低將導致更頻繁的循環(huán)從而縮短電池壽命，因此需要均衡電池包中串聯電芯之間的電荷。
BMS相關研究課題
解決上文提到的問題是BMS的永恒研究課題。文獻報道了電芯建模領域的發(fā)展，該模型能夠對電芯和電池包進行有效監(jiān)測。電芯監(jiān)測主要關注電芯內部狀態(tài)的準確測定：荷電狀態(tài)（SOC）——衡量電池包實際能量含量和充電不均衡的主要指標；健康狀態(tài)（SOH）——基于電芯的容量或內阻，衡量電池的老化；或功能狀態(tài)（SOF）——描述電池在使用過程中如何滿足應用的需求，例如功率需求、起動能力或充電接受能力等。此外，關于電芯均衡及其對電池壽命的影響的研究活動在科學文獻中也被發(fā)現具有同等的相關性。
雖然目前在鋰離子電池中已經投入了大量的努力來緩解上述問題，但**性本身是一個至關重要的研究課題。大量的資源被用于實現正確理解和復現熱失控、鋰沉積、鋰枝晶產生、集流體溶解、產氣，以及環(huán)境和工況條件對上述現象的影響。目的是將當前先進的被動**管理轉變成一個能夠提前幾小時甚至幾天提供**和危害相關信息模型來保證車輛司機的**。當然，傳統(tǒng)的傳感策略——電芯電流、電壓和外部溫度在未來仍然不會被忽視。此外，還將考慮涉及電芯聲學和應變信息的新型傳感策略，以及基于電化學阻抗譜（EIS）的無傳感器內部溫度估計。
但**不僅包括分析和算法的實現、傳感策略和狀態(tài)估計（例如高電壓、電或熱管理），為了防止危險事件的發(fā)生，還包括采集、處理、存儲和數據通信，以及對專用傳感器和執(zhí)行器的控制，如繼電器、預充和高壓互鎖電路、絕緣監(jiān)測裝置等。
本文架構安排：
1、BMS概述、分類和分析。將詳細揭示無論是模塊化的還是集中式的硬件中存在的拓撲結構，以及它們的特征、任務、優(yōu)缺點。
2、汽車BMS設計的功能**流程。將介紹與e-mobility電池管理系統(tǒng)相關的功能**標準化結果。特別關注的是ISO 26262標準的特性，以及在文獻中發(fā)現的將其應用于汽車BMS的方法。
3、電芯監(jiān)測算法知識產權。將深入研究磚利中提出的電芯監(jiān)測策略實施的理論基礎。
4、對電動汽車BMS市場的概述。將涉及在世界各地運營的相關汽車BMS制造商和供應商。
5、將說明從對BMS的新情況分析中得出的一般性結論以及對今后活動的建議。
6、將列出所使用的信息源的相關元數據，這些元數據用于分析BMS體系結構的新狀態(tài)。
1、BMS概述、分類和分析
1.1 BMS功能和設計
從電芯到電池包
與內燃機車的汽油或柴油油箱不同，鋰離子蓄電池在密封的容器中同時含有氧化劑（陰極）和燃料（陽極）。在正常情況下，燃料和氧化劑以可控的方式將化學能轉化為電能，并且產熱和產氣都小。然而在發(fā)生故障的情況下，或者如果電池在規(guī)定的極限（溫度、電壓和電流）之外運行，反應會很快失控并放熱。這可能導致熱失控，這是一個不可逆的過程，更多的熱量被直接釋放，而不是從電池外殼擴散。這一過程可能導致火災和爆炸，并將環(huán)境置于顯著的風險中。
鋰離子蓄電池有三種不同的結構類型：袋式軟包電池、圓形電池和方形硬殼電池。在電芯的制造過程中，使用了不同的電芯化學成分、材料和添加劑。這些因素影響超出其規(guī)格限制時電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規(guī)格極限，老化過程就越快，電池的壽命就越短。
電芯的規(guī)范限制是不同的，充電結束電壓因所用的正極和負極材料而異。對于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池，放電結束電壓為2.5 V，充電結束電壓為4.2 V，均由電池化學性質決定。相比之下，石墨/磷酸鐵鋰（LiFePO4）的充電電壓只有3.7 V。此外，充電和溫度的規(guī)格限制因不同的電芯類型和電芯化學性質而異，并取決于電芯的生產過程，特別是功率型和能量型電芯。電池的電流負載取決于所用的添加劑、隔膜、陰極的鈷含量以及電池中的電流導體。
根據應用的不同，可以使用單個電芯，也可以在模塊中串聯或并聯多個電芯。為了提高電壓，可將電芯串聯，為了提高容量，可電芯并聯為超級電芯，也可以并聯幾個模塊，電芯串并聯之后被稱為電池系統(tǒng)或電池包。在電池包中，連接可以是純串聯的，也可以是純并聯的，也可以是串并聯的，電壓水平和容量可以適應應用的具體要求，如混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV）或固定存儲應用。
國際標準ISO 6469-3將高壓范圍定義為直流電壓為60V – 1500V，交流電壓為30V – 1000V（即B類電壓），要在這一高壓范圍內開展工作，需要有專門的培訓和證書。因此電池模塊的設計通常是一個模塊的總電壓小于60V，使得電壓A類。這使得在生產和運輸過程中無需采取高成本的**措施就可以處理模塊。
綜上所述，電池可以看作是由電芯、模組、電池包三層組成的層次結構：
電芯：基本元素，鋰離子電池的化學性質使其電壓約為3V至4V；
模塊：串聯和/或并聯的集合，電壓通常小于60V；
電池包：由模塊串聯或并聯構成，電壓可達1000 V。
BMS需求和功能
BMS*重要的任務**功能，即使電池系統(tǒng)中的電芯在電壓、溫度和電流方面不超過規(guī)定的極限，電芯的這些規(guī)范限制通常稱為其**操作區(qū)域（SOA）。
一般來說，BMS是一種模擬和/或數字電子設備，符合以下基本要求：
數據采集。
數據處理和數據存儲。
電氣管理。
溫度管理。
**管理。
通信。
對于電動汽車來說，BMS的關鍵目標和要求如下：
提高電池系統(tǒng)的**性和可靠性。
保護電芯和電池系統(tǒng)免受損壞。
提高電池的能源使用效率（提高續(xù)駛里程）。
延長電池壽命。
前兩項是**要求，后兩項是使用要求。
可以從這些需求派生出BMS的各個功能，這些功能可以分為以下五個方面：
①檢測和控制：BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障，控制接觸器和熱管理系統(tǒng)。
②保護：BMS必須包括電子和邏輯，以警告或保護電池供電系統(tǒng)和電池包的操作員，通過附加的冷卻或加熱系統(tǒng)防止過充、過放電、過電流、電池短路和極端溫度。
③接口：BMS必須定期與使用電池包作為電源的應用通信，報告可用的能量和功率，以及電池包狀態(tài)的其他指標。此外，它必須在長久內存中記錄異常錯誤或濫用事件，以便技術人員通過偶爾的按需下載進行診斷。
④性能管理：BMS必須能夠估計充電狀態(tài)（SOC），好是對電池包中的所有電芯進行估計，計算電池包的可用能量和功率限制，并均衡電池包中的電芯。
⑤診斷：BMS必須能夠估計健康狀態(tài)（SOH），包括檢測濫用，并且可能需要估計電芯和電池包的剩余使用壽命。