馮劉中 倪婧 張雅文 陳曉宇 劉穎

作者簡介：馮劉中（1985—），男，高級工程師，碩士學位，研究方向為動力電池管理系統(tǒng)設計與應用。

參考文獻引用格式：

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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：為解決動力電池全生命周期管理的問題，分析了動力電池全生命周期管理過程中的不同應用場景和關鍵的功能需求，設計了基于物聯(lián)網全生命周期管理的智能電池管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)模型的運行機制進行分析，設計了智能電池管理系統(tǒng)架構和功能，包括終端電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、關鍵傳感器選型以及云端電池管理系統(tǒng)的功能，最后總結了智能電池管理系統(tǒng)具有兼容性、可擴展性和智能性的特點以及在應用中面臨數據保密、云端服務器開發(fā)建設等問題。

關鍵詞：電池管理系統(tǒng) 全生命周期管理 物聯(lián)網 云服務器

中圖分類號：U469.72? ?文獻標志碼：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

由于電動汽車的電池價值高昂、涉及的資源稀缺，各國學者致力于研究退役電池在電網儲能、光伏儲能、通信基站儲能、智能樓宇等場景中的梯次應用[1-2]，電池全生命周期管理成為當前熱點話題[3-4]。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對電動汽車的安全、性能、成本等有重要影響［5-8］。

隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，BMS朝著車云結合、大數據評估的方向發(fā)展。國內外眾多高校、機構和科研學者設計了多種車云結合的電池管理系統(tǒng)[9-10]，但是針對全生命周期的電池管理系統(tǒng)研究較少。本文設計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，適用于動力電池整個生命周期的管理與應用。

2 系統(tǒng)需求

2.1 應用場景分析

在動力電池的整個生命周期中，要經歷生產、運輸、存儲、車輛應用、二次利用和電池報廢等環(huán)節(jié)。在各個環(huán)節(jié)中，存在以下主要場景：

a. 網絡狀態(tài)良好，BMS與外部網絡連接通暢，可以保持持續(xù)的數據交互。

b. 網絡狀態(tài)一般，BMS與外部網絡連接時斷時續(xù)，動力電池在網絡中斷期間，保存原始數據，在網絡恢復后，繼續(xù)與外部進行數據交互。

c. 網絡狀態(tài)惡劣，BMS與外部網絡持續(xù)中斷，動力電池在網絡中斷期間保存原始數據。當中斷時間超出閾值時，將原始數據轉化為狀態(tài)評估，并清空一部分原始數據，保證原始數據的持續(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、電池狀態(tài)分析、電池安全保護、能量控制管理、電池信息管理，如圖1所示。

為了實現對電池全生命周期的監(jiān)測、記錄和狀態(tài)評估，BMS必須具有高度自治能力，包括全天候的監(jiān)測、完整記錄、實時通信、狀態(tài)評估和自我保護的功能。

2.2.1 隔離電源

隔離電源是電池包實現自治的一項基礎功能。傳統(tǒng)BMS依賴外部用戶（如整車）提供低壓電源。為了實現BMS對電池包的全天候監(jiān)控，從電池包高壓取電，通過隔離電源為BMS供電。

2.2.2 數據存儲

數據存儲是電池包實現完整數據記錄的一項基礎功能。當電池管理系統(tǒng)無法與外部通信時，實時原始數據可以存儲在電池包內，待通信恢復后再將數據完整傳輸給外部。

2.2.3 獨立物聯(lián)網通信

獨立物聯(lián)網通信是指BMS通過獨立的4G/5G等無線通信模塊與外部進行數據交互[11-16]。當前電池遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠車聯(lián)網對電池包遠程監(jiān)控和數據記錄。由于電池包的數據量大、實時監(jiān)測的頻率高時，經過車聯(lián)網進行數據交互的方式不能實現完整數據的實時傳輸，因此，電池包需要獨立的物聯(lián)網通信。

2.2.4 云端服務器

電池包整個生命周期的數據量非常大，且在生命周期的不同階段，外部用戶復雜多變，為保證數據的完整性和數據訪問的安全性，需要部署電池包專屬的云端服務器。

2.2.5 智能性

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

3 系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)角色

在動力電池全生命周期管理的各個環(huán)節(jié)中，電池管理系統(tǒng)涉及到終端、云端和外部用戶，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），負責對電池包實時監(jiān)測、控制和保護，并與外部用戶通過總線通信或者物聯(lián)網通信。

云端即云端服務器上的智能BMS算法（Cloud of BMS，C-BMS），通過云端算法和策略，為電池包和外部用戶提供狀態(tài)分析、安全預警等數據服務，負責電池包全生命周期的數據管理和服務。

外部用戶即電池全生命周期各個環(huán)節(jié)中電池包的使用者（External User，E-User），如電動汽車、換電站、電網儲能系統(tǒng)等，外部用戶從T-BMS獲得電池包實時監(jiān)測數據，從C-BMS獲得數據服務。

3 類角色的通信交互過程如下：

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

b. T-BMS經過診斷，同意授權后，通過CAN總線向E-User發(fā)送電池包基礎信息（如ID號等）和數據使用許可碼（動態(tài)口令碼）。

c. E-User將獲得的電池包ID號和動態(tài)口令碼發(fā)給C-BMS，申請數據服務。

d. C-BMS審核電池包基礎數據與許可碼后，向E-User提供數據服務。

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

3.2 模型分析

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

3.2.1 生產階段

在電池包生產階段，T-BMS通過生產設備向云C-BMS發(fā)送電池包基礎信息，并申請數據服務。C-BMS審核通過后建立電池包數據檔案，并通過生產設備向T-BMS派發(fā)電子動態(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 運輸和存儲

電池包進入存儲與運輸環(huán)節(jié)時，T-BMS通過CAN接口與E-User建立連接。E-User向T-BMS申請使用授權，獲得電池包基礎信息與動態(tài)口令碼后，向C-BMS申請數據服務。

3.2.3 車輛應用和二次利用

電池包進入車輛應用和整包梯次利用環(huán)節(jié)后，T-BMS通過CAN接口與E-User建立連接。E-User向T-BMS申請使用授權，獲得電池包基礎信息與動態(tài)口令碼后，向C-BMS申請數據服務。

3.2.4 維修與報廢

對電池包的報廢只能在指定場所通過專業(yè)設備開展。首先，T-BMS通過CAN接口與報廢設備建立連接；然后，報廢設備向T-BMS申請使用授權，獲得電池包基礎信息與動態(tài)口令碼后，向C-BMS備案申請報廢備案，取得C-BMS報廢許可后進行報廢，否則將觸發(fā)報警機制。C-BMS釋放報廢許可后，注銷T-BMS的動態(tài)口令卡，停止該電池包ID的實時數據服務。

當電池包發(fā)生故障或者損壞且外部無法通過CAN接口與T-BMS通信時，維修設備和報廢設備可以通過電池包ID向C-BMS申請維修備案和報廢備案。

4 T-BMS設計

4.1 架構設計

終端BMS按控制器拓撲關系可以分為集成式和分布式[19]。

集成式BMS也稱為一體式BMS，是將主控制器（Battery Management Unit，BMU）和從控制器（Cell Monitor Unit，CMU）集成為1個控制器。集成式BMS直接完成數據采集、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)模較小的場景，如混合動力汽車（Hybrid-Electric Vehicle，HEV）的電池管理。

分布式BMS將功能分配到主控BMU和多個從板CMU中。模塊化的結構使電池包設計與生產更加靈活，采樣線束排布設計得以優(yōu)化。分布式BMS適用于電池規(guī)模較大的場景，如純電動汽車（Battery Electric Vehicles，BEV）的電池管理。分布式BMS拓撲可以進一步分為星形連接、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架構和系統(tǒng)環(huán)境，包括BMU、CMU和配電盒（Battery Disconnect Unit，BDU）。

根據前文的需求與分析，本文設計了一種T-BMS的架構，如圖5所示。該架構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、開關量型和數字通信型等多種類型?？偩€通信具有較高的系統(tǒng)兼容性和可擴展性，兼容CAN通信、局域互連網絡（Local Interconnect? ?Network，LIN）通信、菊花鏈通信（Transformer? ? ? Physical Layer，TPL）等。

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

a. 低壓模塊負責數據處理、數據存儲、無線通信及其他相關功能，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換為12 V電源，在無外部低壓電源時，為低壓模塊提供持續(xù)的電源供應。

c. 數據存儲模塊實現電池包實時數據存儲，保證數據的完整性。

d. 無線模塊通過4G模塊或者5G模塊實現系統(tǒng)與云端服務器的通信。

e. 各傳感器模塊能夠實現絕緣檢測、溫度檢測、濕度檢測、壓力檢測等。

f. 高壓模塊能夠實現電流檢測和電壓檢測。

g. CMU負責電芯和模組的電壓、溫度檢測。

h. 其他模塊包括其他CAN接口的傳感器，如磁通門電流傳感器等，新增模塊均可以通過CAN總線進行擴展。

4.2 傳感器選型

智能終端BMS的功能實現依賴于多種傳感器的數據采集與融合。目前，傳感器的品類和規(guī)格非常多[17]，BMS中常見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用芯片實現，常用的芯片有MC33771、BQ79616、MAX17843等，可以實現高精度的電芯電壓監(jiān)測。電池包總電壓采集一般通過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。電動汽車的電流為直流電，可采用的傳感器有電阻分流器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器、隧穿磁阻效應電流傳感器等。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，通常會再搭配另外一種類型的電流傳感器。

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。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）構成，當熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中產生電勢差，通過測量電勢差計算溫度[22]。這類溫度傳感器檢測范圍廣，但不適合高精度測量。

熱敏電阻式溫度傳感器有負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）型和正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）型[23]。NTC型在溫度升高時，電阻降低。NTC型有電阻率高、熱容小、響應快、阻值與溫度線性關系優(yōu)良、能彎曲、價格低、壽命長等優(yōu)點，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的壓力監(jiān)測，在電池包熱擴散的預警方面有很好的應用，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。當外界壓力作用于陶瓷膜片時，陶瓷膜片發(fā)生變形，兩極之間的距離產生變化，從而導致電容量發(fā)生改變，再通過特定的芯片輸出標準的電壓信號。

電阻式壓力傳感器將應變電阻固結在彈性膜片上組成惠斯通電橋。當外界壓力作用于彈性膜片時，膜片發(fā)生變形，引起應變電阻的電阻值改變，從而導致惠斯通電橋發(fā)生改變，再通過特定的芯片輸出標準的電壓信號。

4.2.5 濕度傳感器

濕度對于電池的性能、壽命影響較大。利用濕度傳感器可以有效地監(jiān)測和預警。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，當環(huán)境中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電容值會變化，從而計算出濕度。

5 C-BMS功能設計

C-BMS依托強大的存儲與計算能力，在更大的時間跨度上對數據進行分析，對電池狀態(tài)進行評估，并將結果反饋給T-BMS和E-User。C-BMS具備以下功能：

a. T-BMS通過物聯(lián)網模塊接入C-BMS，實現數據互通。

b. C-BMS存儲T-BMS上傳的原始數據，涵蓋了從電池包誕生到電池包報廢的整個生命周期。

c. C-BMS對T-BMS上傳的原始數據進行分析和預處理。

d. C-BMS通過部署AI模型，實現對電池原始數據的高效處理，提高電池狀態(tài)的評估能力。

e. 云端數據可按需進行可視化輸出，如移動端可視等。

6 結束語

本文基于物聯(lián)網技術設計了一個動力電池全生命周期管理的智能電池管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括T-BMS和C-BMS，其中T-BMS具有兼容性、可擴展性和智能性。智能電池管理系統(tǒng)的應用推廣還將面臨諸多問題，如數據保密、云端服務器開發(fā)建設等。但智能電池管理系統(tǒng)符合“軟件定義汽車”的發(fā)展需求，通過云端服務器的數據服務，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，促進電池的合理利用。

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