BMS功能安全开发流程、各大厂商BMS设计方案汇总

BMS功能安全开发流程简介

& 各大厂商BMS设计方案汇总...

一、BMS简介

BMS即Battery Management System，电池管理系统的意思。作为新能源汽车“三电”核心技术之一，BMS在HEV/EV上扮演重要作用。广义上，BMS包含传统的12/24V铅酸电池管理，这里讨论的BMS主要是针对HEV/EV的动力电池管理，从48V的弱混动到500V以上的全电动，恩智浦的BMS解决方案都可以覆盖。

一般来说，BMS由一个主控单元和多个从控单元组成，从控单元直接连接电池包（Battery Pack），采集电池的电压、电流和温度等，主控单元通过CAN总线或Daisy Chain（菊花链）通信等方式管理多个从控单元。

按照新能源汽车对电池管理的需求，BMS具备的功能包括SOC/SOH估算、故障诊断、均衡控制、热管理和充电管理等。SOC即电池荷电状态，用于衡量电池剩余电量，对于判断汽车可行驶里程十分重要。故障诊断用于判断电池的当前状态，及时正确识别电池充放电过程中的过压、欠压、过温等异常情况有助于避免事故发生。均衡控制主要是消除单体电池之间的容量差异，达到一致性，延长电池使用寿命。

电池管理系统BMS架构如下：

电池管理系统（BMS）主要功能：

电池管理系统（BMS）是一个本世纪才诞生的新产品，因为电化学反应的难以控制和材料在这个过程中性能变化的难以捉摸，所以才需要这么一个管家来时刻监督、调整、限制电池组的行为，以保障使用安全，其主要功能为：

1. 实时监测电池状态。通过检测电池的外特性参数（如电压、电流、温度等），采用适当的算法，实现电池内部状态（如容量和SOC等）的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关键；

2. 在正确获取电池的状态后进行热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警等；

3. 建立通信总线，与显示系统、整车控制器和充电机等实现数据交换。

电池管理系统（BMS）主要部件：

电池管理系统（BMS）主要分为两部分，第一部分是前端模拟测量保护电路（AFE），包括电池电压转换与量测电路、电池平衡驱动电路、开关驱动电路、电流量测、通讯电路；第二部分是后端数据处理模块，就是依据电压、电流、温度等前端计算，并将必要的信息通过通信接口回传给系统做出控制。

或者可以分为如下几个部分：

1）模拟前端采集模块：主要用于对电池组电压，充电电流，放电电流，单体电压，电池温度，等参数进行采集。通常采用隔离处理的方式。（除温度信号）

2）电池保护电路模块：通常这部分是采用软件控制一些外部器件来实现的。如通过信号控制继电器的通断来允许或禁止充放电设备或电池的工作以实现对电池保护。

3）均衡电路模块：主要用于对电池组单体电压的采集，并进行单体间的均衡充电使组中各电池达到均衡一致的状态。

4）下位机模块：信号处理，控制，通讯。

二、 BMS功能安全开发流程简介

ISO26262定义的功能安全标准涵盖了产品的管理、开发、生产、经营、服务和报废等阶段，覆盖产品的整个生命周期，产品开发时主要关注的阶段有概念、系统级开发、硬件开发和软件开发等阶段。在功能安全概念阶段要做系统危害分析（Hazard Analysis）和风险评估（Risk Assessment），得出汽车安全完整性等级ASIL（AutomoTI ve Safety Integrity Level）。ISO26262标准规定了A到D四个安全等级，其中D级为最高等级，相应的需求最为苛刻。一般而言，主流车厂认为BMS应该需要达到的安全等级至少是ASIL-C。在得出安全等级ASIL后，需要设立安全目标（Safety Goal），并提出相应的安全需求（Safety Requirement）和安全机制（Safety Mechanism），并在必要的时候做功能安全等级分解。ISO26262给出了三个指标：单点故障指标SPFM，潜在故障指标LFM和随机硬件失效指标PMHF，用于去评估系统的安全性等级。

ISO26262 安全生命周期如下：

例如，在BMS开发过程中，对BMS的危害分析有过压（过充）、欠压、过温和过流等危害事件，如过压可能是一个比较严重的事件，尤其长时间对电池过充会导致电池性能下降和不可恢复性损坏，甚至导致电池变形、漏液情况发生，通过对过充这个事件进行危害分析和风险评估，得出其安全等级是ASIL-C或者ASIL-D（在不同应用场景下分析下得出的安全等级可能不一样），那么系统的安全目标就是BMS应该能及时发现电池过充情况并作出处理，对应地，要从单点失效和潜在失效等方面考虑设计安全机制，最后用前面提到的度量指标进行安全性评估。

三、 BMS设计方案汇总及学习参考

目前的电池管理系统（BMS）产品设计方案，被国外厂商垄断，都选用国外半导体IC厂商提供的电池管理IC，并以其应用方案为参考进行设计。

在方案设计芯片选型中有如下规格需要注意：

一. 均流方式 ,如何保证各节电池的电量平衡。

1、 被动式均流，通过耗能器件消耗能量，使其达到平衡。缺点是发热严重。

2、主动式均流，通过能量转移的方式使其达到平衡。缺点是设计复杂，成本高。

二、模拟前端芯片的选择。主要参数对比如下：

1、可测量多少节电池的级联。

2、是否自带ADC,以及ADC测量精度及转换速度。

3、与MCU通讯方式。

4、是否可级联以及最大值。

5、价格

三、电流的测量精度。霍尔传感器的使用。

四、过压过流过温的保护取决于ADC的测量速度，以及MOSFET的通断时间。

电池管理系统（BMS）设计方案汇总，以ADI、Atmel（爱特梅尔）、英飞凌（Infineon）、Intersil、Linear、Maxim、O2Micro、TI、NXP等九大方案为例，仅供参考说明。