基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮劉中 倪婧 張雅文 陳曉宇 劉穎

作者簡(jiǎn)介：馮劉中（1985—），男，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)閯?dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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FENG L Z， NI J， ZHANG Y W， et al. Design of Intelligent Battery Management System Based on the Internet of Things[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 8-13.

摘要：為解決動(dòng)力電池全生命周期管理的問(wèn)題，分析了動(dòng)力電池全生命周期管理過(guò)程中的不同應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵的功能需求，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)全生命周期管理的智能電池管理系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)模型的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了智能電池管理系統(tǒng)架構(gòu)和功能，包括終端電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵傳感器選型以及云端電池管理系統(tǒng)的功能，最后總結(jié)了智能電池管理系統(tǒng)具有兼容性、可擴(kuò)展性和智能性的特點(diǎn)以及在應(yīng)用中面臨數(shù)據(jù)保密、云端服務(wù)器開(kāi)發(fā)建設(shè)等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 全生命周期管理 物聯(lián)網(wǎng) 云服務(wù)器

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230222

Design of Intelligent Battery Management System Based on the Internet of Things

Feng Liuzhong， Ni Jing， Zhang Yawen， Chen Xiaoyu， Liu Ying

（FAW-Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130000）

Abstract： To address the issue of full lifecycle management of power battery， this article analyzed the different application scenarios and key functional requirements in the full life cycle management process of power batteries， designed an intelligent battery management system based on the Internet of Things for full life cycle management， and analyzed the operating mechanism of the model. The architecture and functions of the intelligent battery management system were designed， including the system architecture of the terminal battery management system， the selection of key sensors and the functions of cloud based battery management systems. Finally， the characteristics of intelligent battery management systems including compatibility， extendibility and intelligence， as well as the problems they face in application including data security， development and building of cloud based server， were summarized.

Key words： Battery management system， Full lifecycle management， Internet of things， Cloud server

1 前言

由于電動(dòng)汽車(chē)的電池價(jià)值高昂、涉及的資源稀缺，各國(guó)學(xué)者致力于研究退役電池在電網(wǎng)儲(chǔ)能、光伏儲(chǔ)能、通信基站儲(chǔ)能、智能樓宇等場(chǎng)景中的梯次應(yīng)用[1-2]，電池全生命周期管理成為當(dāng)前熱點(diǎn)話(huà)題[3-4]。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的安全、性能、成本等有重要影響［5-8］。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，BMS朝著車(chē)云結(jié)合、大數(shù)據(jù)評(píng)估的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外眾多高校、機(jī)構(gòu)和科研學(xué)者設(shè)計(jì)了多種車(chē)云結(jié)合的電池管理系統(tǒng)[9-10]，但是針對(duì)全生命周期的電池管理系統(tǒng)研究較少。本文設(shè)計(jì)了一種智能電池管理系統(tǒng)，包括了終端BMS、云端BMS，并考慮全生命周期的外部用戶(hù)，適用于動(dòng)力電池整個(gè)生命周期的管理與應(yīng)用。

2 系統(tǒng)需求

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

在動(dòng)力電池的整個(gè)生命周期中，要經(jīng)歷生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、車(chē)輛應(yīng)用、二次利用和電池報(bào)廢等環(huán)節(jié)。在各個(gè)環(huán)節(jié)中，存在以下主要場(chǎng)景：

a. 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好，BMS與外部網(wǎng)絡(luò)連接通暢，可以保持持續(xù)的數(shù)據(jù)交互。

b. 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)一般，BMS與外部網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)斷時(shí)續(xù)，動(dòng)力電池在網(wǎng)絡(luò)中斷期間，保存原始數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，繼續(xù)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

c. 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)惡劣，BMS與外部網(wǎng)絡(luò)持續(xù)中斷，動(dòng)力電池在網(wǎng)絡(luò)中斷期間保存原始數(shù)據(jù)。當(dāng)中斷時(shí)間超出閾值時(shí)，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)評(píng)估，并清空一部分原始數(shù)據(jù)，保證原始數(shù)據(jù)的持續(xù)更新。

2.2 功能需求

傳統(tǒng)的BMS主要功能包括電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)分析、電池安全保護(hù)、能量控制管理、電池信息管理，如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池全生命周期的監(jiān)測(cè)、記錄和狀態(tài)評(píng)估，BMS必須具有高度自治能力，包括全天候的監(jiān)測(cè)、完整記錄、實(shí)時(shí)通信、狀態(tài)評(píng)估和自我保護(hù)的功能。

2.2.1 隔離電源

隔離電源是電池包實(shí)現(xiàn)自治的一項(xiàng)基礎(chǔ)功能。傳統(tǒng)BMS依賴(lài)外部用戶(hù)（如整車(chē)）提供低壓電源。為了實(shí)現(xiàn)BMS對(duì)電池包的全天候監(jiān)控，從電池包高壓取電，通過(guò)隔離電源為BMS供電。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是電池包實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)記錄的一項(xiàng)基礎(chǔ)功能。當(dāng)電池管理系統(tǒng)無(wú)法與外部通信時(shí)，實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在電池包內(nèi)，待通信恢復(fù)后再將數(shù)據(jù)完整傳輸給外部。

2.2.3 獨(dú)立物聯(lián)網(wǎng)通信

獨(dú)立物聯(lián)網(wǎng)通信是指BMS通過(guò)獨(dú)立的4G/5G等無(wú)線通信模塊與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[11-16]。當(dāng)前電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠車(chē)聯(lián)網(wǎng)對(duì)電池包遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。由于電池包的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的頻率高時(shí)，經(jīng)過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式不能實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，因此，電池包需要獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)通信。

2.2.4 云端服務(wù)器

電池包整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)量非常大，且在生命周期的不同階段，外部用戶(hù)復(fù)雜多變，為保證數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全性，需要部署電池包專(zhuān)屬的云端服務(wù)器。

2.2.5 智能性

電池包高度的自治要求BMS具有數(shù)據(jù)處理、診斷和自我保護(hù)能力。在發(fā)生危險(xiǎn)和其他緊急情況時(shí)，可以使用科學(xué)的處理方法傳輸數(shù)據(jù)，以確保安全[17-18]。

3 系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)角色

在動(dòng)力電池全生命周期管理的各個(gè)環(huán)節(jié)中，電池管理系統(tǒng)涉及到終端、云端和外部用戶(hù)，如圖2所示。

終端即電池端的智能電池管理系統(tǒng)（Terminal of BMS，T-BMS），負(fù)責(zé)對(duì)電池包實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)，并與外部用戶(hù)通過(guò)總線通信或者物聯(lián)網(wǎng)通信。

云端即云端服務(wù)器上的智能BMS算法（Cloud of BMS，C-BMS），通過(guò)云端算法和策略，為電池包和外部用戶(hù)提供狀態(tài)分析、安全預(yù)警等數(shù)據(jù)服務(wù)，負(fù)責(zé)電池包全生命周期的數(shù)據(jù)管理和服務(wù)。

外部用戶(hù)即電池全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)中電池包的使用者（External User，E-User），如電動(dòng)汽車(chē)、換電站、電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)等，外部用戶(hù)從T-BMS獲得電池包實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從C-BMS獲得數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 類(lèi)角色的通信交互過(guò)程如下：

a. E-User通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線向T-BMS申請(qǐng)授權(quán)。

b. T-BMS經(jīng)過(guò)診斷，同意授權(quán)后，通過(guò)CAN總線向E-User發(fā)送電池包基礎(chǔ)信息（如ID號(hào)等）和數(shù)據(jù)使用許可碼（動(dòng)態(tài)口令碼）。

c. E-User將獲得的電池包ID號(hào)和動(dòng)態(tài)口令碼發(fā)給C-BMS，申請(qǐng)數(shù)據(jù)服務(wù)。

d. C-BMS審核電池包基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與許可碼后，向E-User提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

e. 在電池包的整個(gè)生命周期中，T-BMS與C-BMS通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)保持持續(xù)的通信。

3.2 模型分析

在電池生命周期各個(gè)階段，T-BMS、C-BMS、E-User之間的信息交互如圖3所示。

3.2.1 生產(chǎn)階段

在電池包生產(chǎn)階段，T-BMS通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備向云C-BMS發(fā)送電池包基礎(chǔ)信息，并申請(qǐng)數(shù)據(jù)服務(wù)。C-BMS審核通過(guò)后建立電池包數(shù)據(jù)檔案，并通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備向T-BMS派發(fā)電子動(dòng)態(tài)口令卡。自此，T-BMS和C-BMS建立通信，完成了智能電池管理系統(tǒng)的搭建。

3.2.2 運(yùn)輸和存儲(chǔ)

電池包進(jìn)入存儲(chǔ)與運(yùn)輸環(huán)節(jié)時(shí)，T-BMS通過(guò)CAN接口與E-User建立連接。E-User向T-BMS申請(qǐng)使用授權(quán)，獲得電池包基礎(chǔ)信息與動(dòng)態(tài)口令碼后，向C-BMS申請(qǐng)數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2.3 車(chē)輛應(yīng)用和二次利用

電池包進(jìn)入車(chē)輛應(yīng)用和整包梯次利用環(huán)節(jié)后，T-BMS通過(guò)CAN接口與E-User建立連接。E-User向T-BMS申請(qǐng)使用授權(quán)，獲得電池包基礎(chǔ)信息與動(dòng)態(tài)口令碼后，向C-BMS申請(qǐng)數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2.4 維修與報(bào)廢

對(duì)電池包的報(bào)廢只能在指定場(chǎng)所通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備開(kāi)展。首先，T-BMS通過(guò)CAN接口與報(bào)廢設(shè)備建立連接；然后，報(bào)廢設(shè)備向T-BMS申請(qǐng)使用授權(quán)，獲得電池包基礎(chǔ)信息與動(dòng)態(tài)口令碼后，向C-BMS備案申請(qǐng)報(bào)廢備案，取得C-BMS報(bào)廢許可后進(jìn)行報(bào)廢，否則將觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。C-BMS釋放報(bào)廢許可后，注銷(xiāo)T-BMS的動(dòng)態(tài)口令卡，停止該電池包ID的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)。

當(dāng)電池包發(fā)生故障或者損壞且外部無(wú)法通過(guò)CAN接口與T-BMS通信時(shí)，維修設(shè)備和報(bào)廢設(shè)備可以通過(guò)電池包ID向C-BMS申請(qǐng)維修備案和報(bào)廢備案。

4 T-BMS設(shè)計(jì)

4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

終端BMS按控制器拓?fù)潢P(guān)系可以分為集成式和分布式[19]。

集成式BMS也稱(chēng)為一體式BMS，是將主控制器（Battery Management Unit，BMU）和從控制器（Cell Monitor Unit，CMU）集成為1個(gè)控制器。集成式BMS直接完成數(shù)據(jù)采集、處理與控制功能。由于模塊間通信在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）板內(nèi)完成，集成式BMS可以節(jié)約成本和空間。但受采樣線束的約束，集成式BMS主要適用于電池規(guī)模較小的場(chǎng)景，如混合動(dòng)力汽車(chē)（Hybrid-Electric Vehicle，HEV）的電池管理。

分布式BMS將功能分配到主控BMU和多個(gè)從板CMU中。模塊化的結(jié)構(gòu)使電池包設(shè)計(jì)與生產(chǎn)更加靈活，采樣線束排布設(shè)計(jì)得以?xún)?yōu)化。分布式BMS適用于電池規(guī)模較大的場(chǎng)景，如純電動(dòng)汽車(chē)（Battery Electric Vehicles，BEV）的電池管理。分布式BMS拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步分為星形連接、總線連接和菊花鏈連接等方式[20-21]。

圖4繪制了一種以菊花鏈為主要連接方式的傳統(tǒng)BMS架構(gòu)和系統(tǒng)環(huán)境，包括BMU、CMU和配電盒（Battery Disconnect Unit，BDU）。

根據(jù)前文的需求與分析，本文設(shè)計(jì)了一種T-BMS的架構(gòu)，如圖5所示。該架構(gòu)可以兼容多種傳感器的通信接口，如電壓型、電流型、電阻型、頻率型、脈沖型、開(kāi)關(guān)量型和數(shù)字通信型等多種類(lèi)型?？偩€通信具有較高的系統(tǒng)兼容性和可擴(kuò)展性，兼容CAN通信、局域互連網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect? ?Network，LIN）通信、菊花鏈通信（Transformer? ? ? Physical Layer，TPL）等。

T-BMS電氣架構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分，其中深色模塊是相對(duì)傳統(tǒng)BMS的新增模塊：

a. 低壓模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線通信及其他相關(guān)功能，提升了系統(tǒng)的兼容性和智能性。

b. 隔離電源將高壓電源轉(zhuǎn)換為12 V電源，在無(wú)外部低壓電源時(shí)，為低壓模塊提供持續(xù)的電源供應(yīng)。

c. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)電池包實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的完整性。

d. 無(wú)線模塊通過(guò)4G模塊或者5G模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與云端服務(wù)器的通信。

e. 各傳感器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣檢測(cè)、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、壓力檢測(cè)等。

f. 高壓模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)。

g. CMU負(fù)責(zé)電芯和模組的電壓、溫度檢測(cè)。

h. 其他模塊包括其他CAN接口的傳感器，如磁通門(mén)電流傳感器等，新增模塊均可以通過(guò)CAN總線進(jìn)行擴(kuò)展。

4.2 傳感器選型

智能終端BMS的功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于多種傳感器的數(shù)據(jù)采集與融合。目前，傳感器的品類(lèi)和規(guī)格非常多[17]，BMS中常見(jiàn)的傳感器主要有電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等。

4.2.1 電壓傳感器

電壓采集是BMS的重要功能，包括電池單體電壓、電池模組電壓和電池包電壓的采集。電池單體的電壓采集一般采用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)，常用的芯片有MC33771、BQ79616、MAX17843等，可以實(shí)現(xiàn)高精度的電芯電壓監(jiān)測(cè)。電池包總電壓采集一般通過(guò)智能電池傳感器芯片完成，常用的芯片有ADIBMS2950、MM9Z1_638等。

4.2.2 電流傳感器

電池包總電流采集是BMS的重要功能。電動(dòng)汽車(chē)的電流為直流電，可采用的傳感器有電阻分流器、霍爾電流傳感器、磁通門(mén)電流傳感器、隧穿磁阻效應(yīng)電流傳感器等。由于BMS高壓模塊主芯片一般具備電阻分流器的電流采集功能，因此，電阻分流器是BMS中最常用的一種電流傳感器。為保證功能安全，通常會(huì)再搭配另外一種類(lèi)型的電流傳感器。

4.2.3 溫度傳感器

溫度傳感器用于電池單體、電池組、銅排和冷卻液等的溫度監(jiān)測(cè)。BMS中的溫度傳感器按工作原理可分為熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻和溫度集成電路（Integrated Circuit，IC）等，其中熱電偶和熱敏電阻最為常用。

熱電偶式溫度傳感器是由一端連接的2條不同金屬線（金屬A和金屬B）構(gòu)成，當(dāng)熱電偶一端受熱時(shí)，熱電偶電路中產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)測(cè)量電勢(shì)差計(jì)算溫度[22]。這類(lèi)溫度傳感器檢測(cè)范圍廣，但不適合高精度測(cè)量。

熱敏電阻式溫度傳感器有負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）型和正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）型[23]。NTC型在溫度升高時(shí)，電阻降低。NTC型有電阻率高、熱容小、響應(yīng)快、阻值與溫度線性關(guān)系優(yōu)良、能彎曲、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在BMS中最為常用[17]。

4.2.4 壓力傳感器

壓力傳感器可用于電池包內(nèi)的壓力監(jiān)測(cè)，在電池包熱擴(kuò)散的預(yù)警方面有很好的應(yīng)用，常用的壓力傳感器有電容式壓力傳感器和電阻式壓力傳感器[24]。

電容式壓力傳感器采用陶瓷膜片作為壓敏元件，陶瓷膜片和陶瓷基體分別制作成電容的兩極。當(dāng)外界壓力作用于陶瓷膜片時(shí)，陶瓷膜片發(fā)生變形，兩極之間的距離產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致電容量發(fā)生改變，再通過(guò)特定的芯片輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。

電阻式壓力傳感器將應(yīng)變電阻固結(jié)在彈性膜片上組成惠斯通電橋。當(dāng)外界壓力作用于彈性膜片時(shí)，膜片發(fā)生變形，引起應(yīng)變電阻的電阻值改變，從而導(dǎo)致惠斯通電橋發(fā)生改變，再通過(guò)特定的芯片輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。

4.2.5 濕度傳感器

濕度對(duì)于電池的性能、壽命影響較大。利用濕度傳感器可以有效地監(jiān)測(cè)和預(yù)警。電池包中常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件[18]，其原理是在基片上涂敷一層感濕材料膜，當(dāng)環(huán)境中水蒸氣吸附在膜上時(shí)，元件電阻率、電容值會(huì)變化，從而計(jì)算出濕度。

5 C-BMS功能設(shè)計(jì)

C-BMS依托強(qiáng)大的存儲(chǔ)與計(jì)算能力，在更大的時(shí)間跨度上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并將結(jié)果反饋給T-BMS和E-User。C-BMS具備以下功能：

a. T-BMS通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊接入C-BMS，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

b. C-BMS存儲(chǔ)T-BMS上傳的原始數(shù)據(jù)，涵蓋了從電池包誕生到電池包報(bào)廢的整個(gè)生命周期。

c. C-BMS對(duì)T-BMS上傳的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)處理。

d. C-BMS通過(guò)部署AI模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池原始數(shù)據(jù)的高效處理，提高電池狀態(tài)的評(píng)估能力。

e. 云端數(shù)據(jù)可按需進(jìn)行可視化輸出，如移動(dòng)端可視等。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)力電池全生命周期管理的智能電池管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括T-BMS和C-BMS，其中T-BMS具有兼容性、可擴(kuò)展性和智能性。智能電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用推廣還將面臨諸多問(wèn)題，如數(shù)據(jù)保密、云端服務(wù)器開(kāi)發(fā)建設(shè)等。但智能電池管理系統(tǒng)符合“軟件定義汽車(chē)”的發(fā)展需求，通過(guò)云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)，智能電池管理系統(tǒng)將在電池全生命周期管理中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)電池的合理利用。

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