服务客户 · 持续创新 · 创造价值 电池管理系统 BMS 开发技术方案 吴加加，丁文超，蒋文成 (北京九州华海科技有限公司 100015) 摘要：BMS 具有保障电池安全，提高电池寿命的作用，是现代电动汽车的关键零部件之一，本文提出了一种快 速开发 BMS 的技术方案，方案涉及系统架构、硬件与软件，可以有效提高开发效率，大幅削减 BMS 开发工作量。 同时，对电池均衡、SOC 估算、通信协议等 BMS 关键技术进行了具体分析并给出了解决方案。 关键词：电池管理系统 BMS 电池均衡 SOC 通信协议 0 引言 电池管理系统(BMS)监控电池组中各单体电池的状 态，管理电池组的使用过程，维持电池组中单体电池的 状态一致性，从而起到保障电池安全，提高电池寿命的 作用。国内外所有上市的电动汽车（包括纯电动汽车与 混合动力汽车）都装备了 BMS，BMS 已经成为现代电 动汽车的关键零部件之一。 BMS 的功能主要包括：  电池单体电压、电流、温度信号采集  电池组总电压、电流信号采集  电池荷电状态 SOC/健康状态 SOH 估算  电池单体一致性均衡  智能充电控制  动力母线预充电控制  绝缘电阻检测  电池组热管理  过流、过压、过热保护 1 系统架构 本方案使用主从式的 BMS 系统架构，即一个主控 模块+若干采集模块的方式，主控模块与采集模块之间通 过 CAN 通信，如图 1 所示。主从式 BMS 布局灵活，方 便检修，便于日常维护，适用于各类纯电动汽车与混合 动力汽车。 图 1 主从式 BMS 系统架构 2 硬件方案 BMS 需要能够正确采集所有电池单体与传感器的 信号，准确控制所有执行器的动作，由于 BMS 功能的 多样性与复杂性，要求 BMS 硬件运算速度快，存储空 间大，同时，为了用于实验室、台架、装车等各个阶段， 要求硬件防护等级高，可靠性好，坚固耐用。 本方案主控模块硬件使用 RapidECU-U1 快速原型 控制器，其技术参数如表 1。RapidECU 是汽车行业广 泛使用的产品级快速原型控制器，可以在电控系统的开 发过程中替代产品控制器硬件，通过自动代码生成技术， 将建模与仿真阶段所形成的控制算法模型下载到快速原 型控制器硬件中，并连接实际被控对象，进行控制算法                                                                                           www.ecucoder.com   1 / 5  

服务客户 · 持续创新 · 创造价值 的硬件在环仿真验证和实物验证，并在开发阶段早期实 现测量标定。  低端驱动通道数量：1~4  电压检测循环周期：<15ms  工作温度：-40℃~85℃   图 2 BMS 主控模块硬件 表 1 RapidECU-U1 技术参数 MPC5554，主频 80MHz，硬件浮点单元 SRAM 64KB，Flash 2MB 3 路 CAN，CAN2.0B，ISO11898 供电电压：9V~32V 2 路 5V 传感器供电电源，2 路可编程供电电源 21 路模拟量输入 20 路开关量输入 16 路频率量输入，其中 8 路磁电，8 路霍尔 微控 制器 电源 输入 12 路 PWM 功率驱动 最多 17 路开关功率驱动 2 路模拟量信号输出 环境 防护等级：IP65，工作温度：-40℃~+85℃ 使用 RapidECU-U1 系列产品作为 BMS 主控模块硬 件的优势主要包括：  产品原型，集成信号调理与功率驱动电路  搭载 Freescale 高性能 MPC5554 芯片  适合实验室、台架、装车等各个阶段  高性价比的紧凑型硬件，坚固耐用 采集模块使用 RapidECU-B1，其技术参数如下。  电压检测通道数量：2~12  温度检测通道数量：1~16  单体电压检测精度：±5mV  总电压采集范围：0~1000V  总电压检测精度：±0.5% 图 3 BMS 采集模块示意图 图 4 BMS 采集模块硬件 3 软件方案 由于 BMS 功能的多样性与复杂性，BMS 软件十分 复杂，为适应不同的车型以及同一车型的升级换代，软 件还需要反复修改，这对软件开发者提出了一大挑战。 如果使用传统手工编程的开发方式，开发工作量巨大， 软件的可维护性较差，造成开发周期与开发成本的不可 控。本方案使用了全自动代码生成的软件开发方式，整 个 控 制 器 的 软 件 代 码 都 由                                                                                           www.ecucoder.com   2 / 5  

服务客户 · 持续创新 · 创造价值 MATLAB/Simulink/ECUCoder 自动代码生成工具生成， 4.1 电池均衡 控制器软件开发的整个过程都以图形化建模的方式来实 由于电池制作工艺等原因，不同电池单体之间诸如 现，用户无需手工编程，无需手工代码集成，也无需代 码移植。 电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异 导致即便串联蓄电池组每个单体的充放电电流相同，也 全自动代码生成可以有效提高开发效率，大幅削减 会使每个单体的容量产生不同，进而影响整个电池组的 控制器软件开发的工作量。在绝大部分应用中，借助全 自动代码生成技术至少可以缩短 50%开发周期，降低 80%开发成本。 使用 MATLAB/Simulink/ECUCoder 作为 BMS 软件 开发解决方案的优势主要包括：  自动代码同时生成基础软件与应用软件，无需手动 集成  功能强大的 GUI 界面，可直接从模型访问并配置整 个基础软件  代码可靠，代码可读性与执行效率良好折中  同时提供芯片级模块库与控制器级模块库，支持用 户自主开发的控制器硬件 工作。最坏的情况，在一个蓄电池组中，有一个单体的 剩余容量接近为 100%，另一个单体的剩余容量为 0， 则这个蓄电池组既不能充电也不能放电，完全不能使用。 因此对电池容量的均衡是非常重要的，尤其是在电动汽 车大量电池单体串联使用的情况下。 电池均衡的方式有很多种，按照使用的元器件不同 可以分为电阻均衡，电容均衡，电感均衡，变压器均衡 与 DCDC 均衡，按照能量去向不同可以分为被动均衡与 主动均衡。 被动均衡将容量较多的电池电量通过电阻消耗来达 到均衡，主动均衡将容量较多的电池电量转移到容量较 少的电池达到均衡，两种均衡方式的对比见表 2。 在 BMS 软件中，将 BMS 的基本状态分为上电、就 表 2 被动均衡与主动均衡的比较 绪、高压关闭、高压预充电、高压使能、故障等几种状 态，各种状态的转换逻辑如下图所示。 图 5 BMS 基本状态转换逻辑图 4 关键技术描述 对比项目 被动均衡 主动均衡 均衡元器 件 均衡方式 均衡效率 复杂度 成本 RapidECU 均衡电流 电阻 电容、电感、变压器、 能量消耗 低 低 低 支持 DCDC 能量转移 高 高 高 支持 100mA~500mA 1A~10A 被动均衡效率低，但是系统复杂度低，成本低，适用 于中小容量电池组的均衡；主动均衡效率高，但是系统 复杂度高，成本高，适用于大容量电池组的均衡。本方 案根据用户所用电池组的容量、均衡效率以及成本综合 考虑，选用被动均衡或者主动均衡。 4.2 SOC 估算                                                                                           www.ecucoder.com   3 / 5  

服务客户 · 持续创新 · 创造价值 电池的荷电状态 SOC 描述了电池的剩余电量，是 电池在使用过程中最重要的参数之一。准确估计 SOC 可以防止电池的过充电或者过放电，有效延长电池的使 用寿命，并且在电动汽车的行驶中可以预知可续驶里程。 由于 SOC 估算受温度、老化、充放电倍率、自放电等 因素的影响，使得电池在实际应用中呈现为高度的非线 性，导致 SOC 的精确估算十分困难。关于锂电池的部 分特性，参见图 6~图 8。 图 8 锂电池老化特性 SOC 的估算方法较多，主要包括： 图 6 锂电池 SOC 与端电压的关系  放电试验法  安时计量法  开路电压法  负载电压法  内阻法  模糊逻辑法  神经网络法  卡尔曼滤波法 以上各种方法在电动汽车上应用时，都存在一定的 缺陷：放电试验法需要中断电池的正常充放电；安时计 量法存在误差累计；开路电压法动态误差较大；内阻法 受温度影响较大；模糊逻辑法依赖工程经验；卡尔曼滤 波法依赖精确的电池模型。 本方案采用一种以安时计量法为基础，利用电池静 止状态下的开路电压法来消除累计误差的 SOC 估算方 法，其关键在于电池充放电状态与静止状态的准确判断。 试验结果表明，采用此 SOC 估算方法，SOC 估算误差 在 5%以内。 图 7 锂电池放电特性                                                                                           www.ecucoder.com   4 / 5  

服务客户 · 持续创新 · 创造价值 换逻辑、SOC 估算、通信协议等均采用图形化建模的方 式开发并借助快速原型控制器快速验证，有效提高开发 效率，大幅削减 BMS 开发工作量。方案经过多款电动 汽车的实车验证，取得了良好的实际效果。 图 9 SOC 估算方法 4.3 通信协议 本方案使用基于 CAN 总线的通信方式，主要包括 3 部分： （1）BMS 内部主控模块与采集模块之间的 CAN 通信； （2）BMS 与整车控制器等动力系统控制单元的 CAN 通信； （3）BMS 与非车载充电机之间的 CAN 通信。 BMS 内部主控模块与采集模块之间的 CAN 通信主 要传递电池单体电压、温度、均衡指令、继电器动作指 令等信息，通信协议为 BMS 内部通信协议。BMS 与整 车控制器等动力系统控制单元的 CAN 通信主要传递电 池组总电压、电流、温度、SOC、BMS 状态、故障信息 及处理策略等信息，通信协议按照整车厂整车 CAN 网 络通信协议制定与实现，主要是动力 CAN 网络通信协 议。BMS 与非车载充电机之间的 CAN 通信主要传递充 电机与车辆辨识、电池充电参数、电池充电总状态、充 电机充 电状 态等信 息， 通信协 议可 以按照 国家 标 准 《GB/T 27930-2011 电动汽车非车载传导式充电机与 电池管理系统之间的通信协议》实现，也可以按照整车 厂整车 CAN 网络通信协议制定与实现，主要是充电机 与 BMS 之间的通信协议。 5 结语 本文提出了一种高效开发 BMS 的技术方案，硬件 采用快速原型控制器 RapidECU，软件使用全自动代码 生成工具 MATLAB/Simulink/ECUCoder。BMS 状态转                                                                                           www.ecucoder.com   5 / 5