"什么是电动汽车（EV）上的BMS? ～用来监测和管理电池状态和性能的系统～"

什么是电动汽车（EV）上的BMS?
～用来监测和管理电池状态和性能的系统～

2023-10-20

  1. 什么是BMS？
    1. BMS的概要
    2. BMS的作用
  2. 关于市场和设备的趋势
  3. 关于BMS的电路构成
    1. 总体构成
  4. 个别电路及构成零部件
    1. 温度测量
    2. 电池单体平衡调整
    3. 电压测量
    4. DC/DC转换器
    5. 通信I/F
  5. 小结
  6. 相关产品信息
  7. 相关信息
  8. 与本文相关的标签

BMS是通过监测电池的状态，使每个电池单体的性能差异趋于均匀，最大限度发挥电池性能的重要系统。它被安装在使用大容量锂离子电池的EV上，对延长电池寿命和安全使用起到重要作用。我们将在本消息中就BMS的功能和系统构成进行解说，同时对构成的电子零部件进行介绍。

什么是BMS？

BMS的概要

BMS（Battery Management System）是一种监测和控制电池的状态，使电池能够安全且长期使用的系统。EV上所使用的电池(锂离子电池），每次进行充放电都会加速老化，可能会导致车辆性能下降。因此，以电池单体为单位对所有电池的状态进行监测，使性能差异趋于均匀的BMS就显得尤为重要。

BMS的作用

  • 监测：以电池单体为单位对所有电池进行状态监测

    电压测量――测量各电池单体和整个电池包的电压，防止过充电或过放电

    电流测量――测量来自电池的放电电流和对电池的充电电流。确认电池的使用状况和充电状态，进行适当的控制。

    温度测量――通过温度传感器，随时监测电池的温度。通过在适当的温度范围内使用电池，来确保安全性并延长电池的寿命。

  • 控制：使得每个电池单体的性能差异趋于均匀

    大容量的电池包由多个电池单体构成。这些电池单体存在着性能差异，其老化的速度也不同。例如，如果某个电池单体比其他电池单体更早老化，则可能会影响到整个电池包的性能和寿命。使这种性能差异趋于均匀的就是被称为“平衡”的功能。

关于市场和设备的趋势

随着马达的高输出化、与续航距离延长相伴的电池的高容量化，人们对EV上的电池提出了更高效的快速充电要求。基于这些理由，预计安装在EV上的大容量型电池今后将会增加。此外，人们预测电池的高电压化也将成为未来的趋势。作为构成BMS的电子零部件今后要求其具备的功能和性能，可以列举“高功率化”、“高耐热化”、“高精度化（温度/电压控制）”。各自的要件如下所示。

高功率化
为了支持马达的高输出化，要求构成BMS的半导体也支持高功率化。所谓高功率化，是指将目前400V左右的电池包电压提高到800V甚至更高的高压。

高耐热化
随着电子零部件小型化的日益进展，单位面积产生的热在增加。通过使之具有对热的耐受性，可以防止因零部件本身发出的热和从周围零部件接受的热而导致的老化。

高精度化（温度、电压）
为了实现高功率化，在电池数量增加、高电压化等的推进下，需要比目前更加精确地进行测量和控制。

关于BMS的电路构成

总体构成

  • 电池模组：连接了多个电池单体的模组
  • 电压检测（模组）：测量模组及各电池单体的电压
  • 监测电路（BMS）：监测每个电池单体的状态，进行电池单体平衡调整
  • 温度检测：测量每个电池单体的温度
  • 控制电路：控制BMS的测量、平衡调整
  • 电流检测：测量整个单元的电流
  • 电压检测（整体）：测量整个单元的电压
  • 接线盒：异常时予以切断并保护电池
  • 电压检测（整体的接地故障检测）：检测整个单元的接地故障
图１ BMS的总体构成
图１ BMS的总体构成

个别电路及构成零部件

温度测量

一旦电池成为高温，可能会导致电池本身老化，在最坏的情况下还可能会着火。为了避免这样的事态，BMS通常通过配置在电池模组上的多个热敏电阻器（温度传感器）来测量温度。

【要使用的零部件】

电池单体的温度测量 ―― NTC热敏电阻器（片式）

POINT
  1. ❶ 藉由小型、高耐热且独特的外电形成技术实现的高可靠性，为电路温度补偿的高精度化做出贡献

电池单体平衡调整

通过测量每个电池单体的电压，计算出各电池单体的充电量，为了使所有电池单体的充电量趋于均匀，通常使用电阻器进行放电。

【要使用的零部件】

放电用途 ―― 贴片电阻器 （小型高功率贴片电阻器）

POINT
  1. ❶ 藉由独特的电阻器图案、电极结构等实现小型高功率化，为电路的小型化做出贡献
图2　在电池单体平衡调整中使用的零部件
图2　在电池单体平衡调整中使用的零部件

电压测量

模组、单元、接地故障检测等的电压测量涉及高电压，因而通常连接多个电阻器通过分压进行测量。

【要使用的零部件】

模组、单元的电压测量 ―― 贴片电阻器 （高精度贴片电阻器）

POINT
  1. ❶ 藉由薄膜结构的电阻值公差、低TCR性能，为电路输出特性的高精度控制化做出贡献
图3　在电压测量中使用的零部件
图3　在电压测量中使用的零部件

DC/DC转换器

在DC/DC转换器电路中，为了去除输入部的噪声和使得输出部平滑，通常使用导电性聚合物混合铝电解电容器，为了进行电压转换，通常使用车载用功率电感器。

【要使用的零部件】

噪声去除、开关/平滑 ―― 导电性聚合物混合铝电解电容器

POINT
  1. ❶ 藉由大容量、低ESR和高纹波性能，为电路的小型化/大功率化（低电压和大电流）做出贡献
  2. ❷ 藉由支持高频容量特性，为去除电路的高频开关化所产生的宽带和高频率噪声做出贡献

电压转换 ―― 车载用功率电感器

POINT
  1. ❶ 藉由金属磁性材料的低损耗和大电流性能，为电路的小型化/大功率化（低电压和大电流）做出贡献
  2. ❷ 藉由损耗特性的高频化（低ACR），为抑制电路的高频开关化损耗做出贡献
图4　在DC/DC转换器上使用的零部件
4　在DC/DC转换器上使用的零部件

通信I/F

在通信I/F（通信）电路中，使用两根线与外部设备（CAN、Ethernet等）进行通信。此时，如果噪声或静电从通信线混入，则可能会导致收发器IC故障。因此，收发器电路中作为静电预防措施通常使用片式压敏电阻器。

【要使用的零部件】

ESD噪声去除 ―― 片式压敏电阻器

POINT
  1. ❶ 藉由具有广泛容量特性的产品阵容，在保持电路通信品质的同时，为抑制静电（ESD）噪声做出贡献
  2. ❷ 片式压敏电阻器藉由其8~250pF的容量特性，支持从低速到高速的通信速度
图5　在通信I/F上使用的零部件
图5　在通信I/F上使用的零部件

小结

BMS是进行电池状态的监测和控制的重要系统。通过这种功能，可以在确保电池安全性的同时优化其性能。今后，随着EV生产数量的增加，预计BMS的安装数量也会增加。此外，还要求其提高性能，其中包括马达的高输出化、电池的高容量化以及快速充电时间的缩短。为了应对这些变化，构成BMS的电子零部件也必须具备“高功率化”、“高耐热化”、“高精度化（温度/电压控制）”等特性。松下机电株式会社备有面向BMS的广泛的产品阵容（表1）。

表1　产品阵容和特点一览
零部件 特点 高电压 大电流 高耐热 高精度
高精度、高耐热 ✔ ✔ ✔
车载用功率电感器 大电流、低损耗
高可靠性		 ✔ ✔
导电性聚合物混合铝电解电容器 低ESR
高可靠性		 ✔ ✔ ✔
片式压敏电阻器 小型化/轻量化 ✔
NTC热敏电阻器（片式） 小型、高耐热 ✔ ✔

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