电池管理系统(BMS)软硬件介绍

第一步，认识电池管理系统的硬件架构

图1

1. 主板，作为BMS的大脑，会收集来自各个从板（通常叫LCU）的采样信息，通过低压电气接口与整车进行通讯，控制BDU（高压分断盒）内的继电器动作，实施监控电池的各项状态，保证电池在充放电过程中的安全使用；
2. 从板（LCU），作为BMS的哨兵，实施监控着模组的单体电压、单体温度等信息，将信息传输给主板，具备电池均衡功能，从板与主板的通讯方式通常是CAN通讯或者菊花链通讯（一种像菊花形状一样从中心到周边的通讯方式，不要想歪了…）；
3. BDU，是电池包电能进出的大门，通过高压电气接口与整车高压负载和快充线束连接，包含预充电路、总正继电器、总负继电器、快充继电器等，受主板控制；
4. 高压控制板，电池包电能进出的大门门卫，可集成在主板（如图1），也可独立出来，实时监控着电池包的电压电流，同时还包含预充检测和绝缘检测功能。

 

第二步，认识电池管理系统的软件架构。

面对汽车逐步的电动化、智能化、网联化，汽车电子的软件开发也越来越复杂，所以AUTOSAR联盟也就应运而生了。

AUTOSAR即是Automotive Open System Architecture（汽车开发系统架构），AUTOSAR的分层模型架构使得主机厂、供应商、科研机构可以联合开发、高效配合，构造出强大的软件系统。

图2

成熟的BMS软件开发通常是基于AUTOSAR架构开发。AUTOSAR架构将运行在Microcontroller之上的ECU软件分为：Application、RTE、BSW三层，如图2，接下来简单介绍下AUTOSAR各分层的分工情况：

1. Application应用层，将软件都划分为一个ASWC（Atomic Software component），包括硬件无关的Application Software component、Sensor Software component、Actuator Software component等。对于电池管理系统，其功能绝大部分算法逻辑都是在应用层进行，也是BMS软件开发的核心工作。
2. RTE运行环境，提供基础的通讯服务，支持Software Component之间和Software Component到BSW的通讯（包含ECU内部的程序调用、ECU外部的总线通讯等情况），RTE使得应用层的软件架构完全脱离于具体的单个ECU和BSW。
3. BSW基础软件层，如图3所示可细分为：Services Layer、ECU Abstraction Layer、Microcontroller AbstractionLayer和Complex Drivers Layer。

图3

每层的BSW都保护不同的功能模块，介绍如下：

Service Layer，服务层，位于BSW最上层，将各种基础软件功能以服务的形式封转起来，供应用层调用，包括RTOS、通讯与网络管理、内存管理、诊断服务、状态管理、程序监控等服务。

ECU Abstraction Layer，电控单元抽象层，封转了微控制器层以及外围驱动设备的驱动，将微控制器内外设的访问进行统一，使上层软件应用与ECU硬件相剥离。

Microcontroller Abstraction Layer，微控制器抽象层，位于BSW的最底层，包含访问微控制器的驱动，使上层软件与微控制器相分离，便于应用的移植。

Complex Drivers Layer，复杂驱动层，为了满足实时性等要求，可以利用复杂驱动让应用层通过RTE直接访问硬件，也可以利用复杂驱动封转已有的非分层的软件，以实现项AUTOSAR软件架构逐步实施。

 

可能这么说题主还不太理解，举个形象的例子。

我们假设搭建BMS的过程和盖一栋大楼差不多（先不管这栋大楼是干什么用的）。

那么，BSW基础软件层，就是我们这栋大楼的地基以及地下基础设施建设部分。比如，外部供电设备，内部发电机，机房，监控室，仓库，排水系统等等……基础设备。

有了这些基础设施和设备，我们才可以在地面上盖出我们想要的大楼，并且为大楼稳定的运行提供最基础的条件。

RTE运行环境呢，就是这栋大楼主机房及主配电室，遍布大楼的网线，电线以及通风等一些基础运行通讯设备，包括电信号和网络信号等等。

Application应用层，就是我们这栋大楼用来做什么的最终的体现了。

如果是办公大楼，我们就装修成OFFICE；

如果是科研大楼，我们就装修成实验室；

如果只是个皮包公司，我们就装修成夜总会风格就好；

所以通俗的解释，应用层软件的编译，就是这个“装修”的过程，为了实现不同的功能，要开发不同的逻辑。

以上，帮助大家稍微理解一下，底层，环境，应用层，到底是怎样的一种东西。

 

最后，该讲讲电池管理系统的功能了。

最最重点的内容，终于粉墨登场了。

电池管理系统的功能可分为测量功能、核心算法和应用功能，如图4。

 

BMS功能这块，往细节了说，那篇幅就如滔滔江水延绵不绝了，既然题主是想自学，就走马观花的介绍一番，有个系统性的认知就好。

BMS中大致包含三个大的功能模块。

第一，测量功能主要包含：

模组的电压采样和温度采样、Pack的总电压采样和总电流采样、高压互锁检测、绝缘检测。测量功能实时监控着电池的基本状态，是BMS所有功能的基础，离开了这些测量，BMS所有核心算法、应用功能都难以执行。

 

第二，核心算法主要包含：

SOC（电池荷电状态）算法、SOH（寿命状态）算法、SOP（功率状态）算法、电池均衡算法。喜欢挑战算法的朋友可以挑战。

其中，SOC算法，行业内典型的方案有安时积分、开路电压、人工神经网络、卡尔曼滤波，单单某一种方案都会存在缺点，目前主流的方案是使用安时积分加上卡尔曼滤波的方式。

SOH算法，目前常用的算法有库仑计算法加上开路电压，还有卡尔曼滤波等等算法。

SOP算法，目前可靠的方法还是靠试验数据，用查表法实现。

均衡功能的原理，可以联想木桶原理，有主动均衡和被动均衡两种方法。主动均衡就是长木板裁剪后来补短木板，使得所有木板平均；被动均衡就是长木板都进行裁剪，保持所有长木板与最短木板一样长。

 

第三，应用功能主要包含：

高压上下电与低压上下电、交流充电与直流充电、电池系统热管理、电池系统故障诊断。

其中，高压上下电与低压上下电是需要其他控制器，比如VCU与BMS配合来实现，BMS完成高压上电后，才能给整车高压负载供电或进行充电（也有厂家做的集成度高的，BMS自己就能搞定上下电的过程）。

交流充电是通过交流充电桩、车载充电机为动力电池充电；直流充电是通过直流充电桩为动力电池充电。充电功能有相关的国标规定。

电池热管理主要是保证电池处在一个合理的温度范围，保证充放电功能处于最佳状态。

故障诊断这块，内容较多，电池的安全就全靠这块，包含过欠压保护、过流保护、继电器粘黏检测、电池压差保护等等功能。