電池管理系統測試標準綜述

常宏 劉篤優 解坤 王斌 劉仕強 陳敬朝

摘要：動力電池系統作為電動汽車的核心部分，保證電動汽車的安全、可靠運行，而其中電池管理系統對電池狀態的估算起到了至關重要的作用。本文對電池管理系統的現行標準進行了介紹及項目對比，闡述了標準內容變化的意義、測試方法的細節及項目要求等，并對未來的發展方向進行了展望。

關鍵詞：電動汽車，電池管理系統，QC_T 897-2011，GB/T 38661-2020

電動汽車愈發受到廣泛重視，隨著電動汽車的廣泛應用相應的事故也隨之而來。大多數事故多集中于充電、放置等期間，部分由于涉水、碰撞等引發。在面臨故障時，BMS的好壞直接影響到電動汽車的可靠、安全性。BMS功能強大對故障診斷及時、準確可以讓電池系統及時的定位、處理故障，避免發生重大損失;BMS性能可靠令BMS在面對惡劣的工作環境時也能有準確、可靠的運行結果。

1 現行標準現狀

隨著相關硬件技術的發展和算法、模型及大數據等方面支持下軟件功能的不斷進步，BMS基于越來越廣泛的應用需求基礎上各方面功能也愈發強大，隨之而來的是對BMS各方面功能的安全性、可靠性能否對電動汽車電池系統全生命周期負責的疑問。從國家、社會、行業的角度出發對BMS安全、可靠性、性能的要求也越來越高。以BMS相關標準的發展來看，2011年的QC_T 897-2011《電動汽車用電池管理系統技術條件》到2020年3月剛剛發布的GB/T 38661-2020 《電動汽車用電池管理系統技術條件》，以及尚未發布的相關國家標準《電動汽車用電池管理系統功能安全要求及試驗方法》和若干行業標準，隨著BMS的各方面功能強大、結合BMS越來越廣泛、復雜、高要求的使用場景，國家對BMS的要求也是從最初的滿足最基本的應用要求發展為對BMS多方面功能、可靠性、安全性有了更多、更高的目標。隨著標準的不斷發布對BMS的狀態參數測量精度、SOC估算、故障診斷、絕緣性能、環境適應性幾個方面作出了更明確、更高的要求，同時對QC_T 897中未作要求的電氣適應性能、電磁兼容性能方面參考現行的其他標準也提出了相應要求，力求達到對BMS產品更嚴格的品質控制，減少電動車出現事故的概率。

本文旨在對現行的BMS標準進行對標說明，結合實際測試數據闡述標準方法、要求的變化造成的測試結果的差異以及此差異的影響。

2 標準介紹

2.1 QC_T 897-2011《電動汽車用電池管理系統技術條件》

QC_T 897-2011《電動汽車用電池管理系統技術條件》于2011年12月20日發布，2012年7月1日實施，標準規定了電動汽車用電池管理系統的術語與定義、要求、試驗方法、檢驗規則、標志等，適用于電動汽車所用動力電池的管理系統。標準主要定義了電池管理系統子系統的電池電子部件、電池控制單元，以及作為電池管理系統載體的電池包和電池系統的定義。QC_T 897-2011的發布對于處于尚處于空白的BMS行業有著重要的指導性意義，作為電動車剛剛興起的2012年，BMS行業水平良莠不齊，各家技術方案、能力水平各不相同，QC_T 897-2011的發布對BMS行業提出了最基本的技術要求，對BMS最基本能力、功能提出指標，對行業發展起到了重要的推進作用。

2.2 GB/T 38661-2020 《電動汽車用電池管理系統技術條件》

GB/T 38661-2020 《電動汽車用電池管理系統技術條件》于2020年3月31日發布，2020年10月1日實施，標準規定了電動汽車用BMS的技術要求、試驗方法、檢驗規則等，適用于電動汽車用鋰離子動力蓄電池和鎳氫動力蓄電池的管理系統，其他類型動力蓄電池的管理系統可參照執行（如儲能、船舶等）。GB/T 38661-2020 的發布對于處于高速發展的BMS行業有著及時的補充和促進作用。隨著電動汽車技術的飛速發展，相關BMS的技術也有了巨大的進步，BMS各部分硬件的發展如采樣芯片、CPU、電源芯片等極大的提升了采樣精度、運算速度、運行功耗、封裝體積、可靠性等方面的能力，同時硬件性能的提高也帶動了軟件技術的進步，在更精確的采樣、更快的運算速度的支持下BMS的控制策略可以做到更精準、更有效，功耗和體積的減小也讓BMS可以裝配更多復雜的功能。在此情況下，GB/T 38661-2020從安全出發對BMS的各方面功能提出了更高的要求。

3 標準項目對比

3.1 使用環境及基本要求

兩項標準首先對BMS檢測功能提出要求，要求BMS能檢測電池單體、模組電壓、電池包內部溫度、系統電流等，GB/T 38661-2020更多提出了對電池系統總壓檢測的要求，防止系統電壓僅通過單體電壓累加導致單體采樣故障對總壓的判斷。兩項標準要求BMS具有SOC估算功能，QC_T 897-2011中要求BMS對最大充放電電流進行估算，GB/T 38661-2020則更為明確的指出通過SOP現BMS對最大充放電能力的估算。兩項標準要求BMS能對電池系統進行故障診斷并對故障做出處理，GB/T 38661-2020中進一步要求BMS對故障信息進行記錄，且BMS應具有自檢功能，對系統的一場功能進行篩查、識別、報警。兩項標準要求BMS與車輛其他控制器具有信息交互功能，GB/T 38661-2020對交互功能的實現方式可基于除總線通信外的其他方式。兩項標準要求BMS對充電過程進行控制和管理，GB/T 38661-2020明確提出與非車載充電機的通信協議應符合GB/T27930的要求。

新標準聚焦電池系統安全方面，對BMS提出額外的基本要求包括應對電池系統絕緣電阻進行監控，對具備高壓互鎖功能的BMS應實現對充放電高壓互鎖的監控，并明確指出BMS應具有最基本的保護功能包括防止過充電、過放電、過流過溫，并提出了BMS宜具有延長系統使用壽命的均衡功能。明確了BMS的工作溫度、濕度、貯存溫度及供電電壓，不僅給定了推薦范圍，且允許制造商根據BMS安裝位置確定使用環境。

3.2 狀態參數測量精度

兩項標準均對電池系統最基本的狀態參數（總電壓值、電流值、溫度值、單體或模塊電壓）提出了測量精度要求，GB/T 38661-2020還增加了對絕緣電阻的測量精度要求，具體要求如下：

QC_T 897-2011在測試方法上對連接方式做出基本要求并要求采樣通道數量電壓不少于5個，溫度不少于2個;GB/T 38661-2020進一步要求了電壓采集通道應不少于一個獨立采樣單元，且在此基礎上明確了每個狀態參數測量應處于低溫、常溫、高溫三種不同環境狀態，且需要分別檢測所檢測對象至少三個表示全部正常工作范圍的狀態值（電壓、電流為最低值、最高值、平均值，溫度為正常工作范圍內從低溫到高溫5個工作點，絕緣電阻為不同電壓范圍下5組絕緣阻值）。新標準對BMS至少一個完整的子采樣系統在電池系統全工作環境、全工作狀態下的狀態參數測量精度提出了明確的要求，這種要求對BMS本身測量功能和產品在不同環境下溫度對測量結果的影響有了更多的考驗，避免BMS出現在高溫、低溫環境下采樣芯片、傳感器等電子元件檢測能力產生溫度漂移，在測量數值較小時誤差對測量結果較大等情況。

3.3 電池故障診斷

兩項標準對BMS故障診斷的要求均分為基本項目和推薦的擴展項目。

故障診斷的基本項目如下表3所示，基本項目中的差異點為新標準將電池溫度低移除了基本項目。兩項標準中要求的相同基本項目均為直接影響到電池系統安全的根本問題，移除的低溫故障是因為目前行業中普遍認為低溫狀態對于電池來說并不是一個由于電池自身引起的故障狀態且不會引起較為嚴重的安全問題，且目前的電池系統通過多種熱管理方式可以避免電池處于較低溫度使用導致壽命快速衰減。

故障診斷的擴展項目如下表4所示，擴展項目中的差異點為新標準增加了電池溫度低、SOC跳變、將舊標準的電池連接松動明確為了系統高壓互鎖故障，將舊標準的內、外部通信接口故障和內部通信網絡故障整合為內、外部通信故障。兩項標準中列出的擴展項目均為不會直接影響到電池系統安全的主要問題，但是列出的故障會影響到電池系統的正常運行，新標準中增加的SOC跳變故障診斷針對目前電動汽車使用時出現的由于外部環境溫度改變、行駛方式改變或BMS內部算法問題導致的剩余里程跳水式減少的問題;整合的高壓互鎖故障診斷、內外部通信故障診斷也都是針對BMS在實際運行時出現不易查明的無法閉合主回路、數據不更新等問題，從另一個角度避免了一些安全隱患發展成嚴重安全問題的情況。

3.4 狀態估算精度

兩項標準均對BMS最基本的SOC估算精度提出了明確要求。標準要求、測試重點及差異如下表5所示。

QC_T 897-2011測試條件相對寬松，選取的測試溫度為常溫和偏低溫度的環境，針對BMS的SOC工作范圍選取了高、中、低三個工作點，通過10次循環放電工況對SOC估算誤差進行測評，選取的溫度條件不會對電池系統的額定容量有較大影響進而影響到SOC計算的基數，同時鑒于目前BMS多采用的安時積分SOC計算方式，10次的循環工況下電流的累積誤差對整體SOC的影響相對較小，總體來說在滿足電流采樣精度的情況下SOC精度通常并不會超過10%的要求。GB/T 38661-2020相比于舊標準測試條件要求BMS樣品在最低溫度工作條件、最高溫度工作條件和常溫工作條件進行測試，對BMS樣品的環境適應性能要求更為嚴格，同時以主放電工況進行N*10次長時間工況和充電的循環測試對SOC估算誤差進行測評;測試選擇了樣品全部工作溫度范圍，更多的考驗BMS樣品電子元件和SOC估算精度相關配件本身對環境適應的性能，元件如果收到溫度變化產生溫度漂移的影響會隨著長時間的循環測試被逐漸積累，同時BMS的相關采樣精度本身的誤差也會隨著長時間的運行體現在對SOC估算精度的誤差上，測試方案較為嚴格。所以新標準在SOC估算精度的要求上對不同體系、不同應用場景的樣品也作出了不同的規定，更加適應了行業本身的需求和發展。

在電動汽車實際使用時，經常會出現電動汽車經過長時間放置導致實際SOC低于BMS當前估算值的情況，此時BMS能否對SOC的誤差做出快速修正就是對BMS的SOC估算提出了更高的要求;同時SOC僅能體現剩余電量既續駛里程，當電動汽車行駛時出現急加速、剎車時，電池系統能否滿足車輛對此時輸入、輸出功率的要求更多的是需要BMS估算出準確的SOP去衡量。GB/T 38661-2020考慮到電動汽車市場的需求和行業的技術水平，雖然并沒有對SOC誤差修正速度和SOP估算誤差兩方面做出要求，但也給出了具體的推薦測試方法。

SOC誤差修正速度要求電池系統在-20 ℃～65℃范圍內選取至少包括高溫、常溫、低溫三個溫度點分別進行試驗，分別在初始SOC處于SOC≥80%、80%≥SOC≥30%、30%≥SOC的范圍內對BMS上報SOC值進行調整并通過工況與充電的循環測試考驗BMS對SOC誤差修正能力。SOP估算誤差要求電池系統在-20 ℃～65℃范圍內選取至少包括高溫、常溫、低溫三個溫度點、在0～100%SOC范圍內選取至少包括高端、低端和中間段三個SOC點分別進行試驗，在每個溫度狀態的SOC點進行至少5次峰值功率充（放）電，通過多次放電功率與持續放電時間的關系曲線擬合得到SOP真值并與BMS上報的SOP進行比較得到SOP估算誤差。

3.5 絕緣耐壓性能

兩項標準對BMS的絕緣耐壓性能均提出了明確要求，標準要求、測試方法、位置及差異如下表6所示。

BMS作為連接高壓系統和低壓系統的橋梁其絕緣耐壓性能是衡量BMS是否安全可靠的重要依據，當電池系統由于充電、異常運行或發生安全性問題導致系統電壓瞬間升高時，絕緣耐壓性能較差的BMS會產生擊穿導致電池系統整體短路引發安全事故。隨著電池系統的發展系統工作電壓也隨著系統能量的提高不斷增加，舊標準500V左右的測試條件比部分電池系統額定電壓還低無法滿足安全要求;新標準從測試方法和要求上針對不同電壓等級的BMS做出不同級別的規定，同時考慮到電池系統處于濕熱環境下可能會對絕緣耐壓性能造成影響的問題要求在濕熱循環測試后30min內也需要進行絕緣耐壓測試，從樣品電壓等級、使用環境等多方面條件考慮開展測試。

3.6 環境適應性能

兩項標準中均對BMS的工作環境狀態進行了模擬測試，以驗證BMS能夠在全部溫度范圍以及實際條件下正常運行，具體測試項目如下表7所示。QC_T 897-2011中環境適應性能項目要求各項測試中或測試后BMS能夠正常工作且狀態參數測量精度滿足要求。GB/T 38661-2020中環境適應性能項目要求各項測試中或測試后BMS功能狀態滿足功能狀態等級要求且無零部件脫落。

在試驗方法上，QC_T 897-2011試驗方法如下：高、低溫運行時將BMS置于65℃、-25℃環境下保持1h期間BMS正常工作;高、低溫存儲將BMS存儲于85℃、-40℃環境下保持4h，恢復室溫后BMS正常工作;耐溫度變化性能將BMS置于-40℃～85℃環境下每種溫度保持2h，轉換時間30s，循環5次;耐濕熱性能將BMS置于高濕度且溫度在25℃～55℃條件下以24h為一個循環進行2個循環，恢復室溫后BMS正常工作;耐鹽霧性能將BMS按照實際裝配狀態置于鹽霧環境下16h，恢復室溫后BMS正常工作;耐振動性能要求BMS進行三個方向每個方向8h的掃頻振動試驗（10Hz～500Hz，1.2mm～30，m/s2），試驗后BMS正常工作。GB/T 38661-2020試驗方法如下：正弦、隨機振動按照GB/T28046.3-2011根據BMS安裝位置經協商確定試驗方法和等級;機械沖擊試驗對工作模式3.2的BMS以實際發生沖擊的方向或6方向上進行每方向10次的500m/s2 6ms的半正弦波沖擊;高、低溫運行時將BMS置于Tmax、Tmin環境下保持96h、24h，期間BMS正常工作;高、低溫存儲將BMS存儲于85℃、-40℃環境下保持48h、24h;溫度梯度將BMS環境以5℃溫度梯度從20℃降至Tmin再升至Tmax且每達到新的溫度要分別對BMS按照最高、最低工作電壓上電進行功能試驗;溫度循環將BMS置于Tmax～Tmin交替環境下，每個循環480min持續10個循環，每個循環第210～410min期間以工作模式3.2上電工作;耐鹽霧將根據BMS的安裝位置選擇是否進行及實驗條件等級;濕熱循環將根據BMS的安裝位置選擇實驗條件等級進行最高溫度65℃循環5次的濕熱試驗。

兩項標準都考慮了在實際運行中面臨的各種嚴酷的機械負荷、氣候負荷，舊標準的氣候負荷方面試驗條件和判定依據多是根據市場上大多數BMS的普遍工作條件及存儲條件，沒有考慮到BMS具體工作環境及裝配方式，機械負荷方面也僅考慮到最基本的掃頻振動，未涉及到汽車實際運行時更真實的隨機振動情況。新標準更多的考慮到產品實際的應用場景，如高、低溫工作、溫度梯度、溫度循環等測試條件更多的是參考BMS本身工作的極限條件，耐鹽霧試驗也考慮到BMS裝配的電池系統滿足防護等級的情況下可以免做此項，機械負荷方面振動測試的正弦、隨機振動均考慮實際測試條件根據標準選擇測試方式，同時加入了機械沖擊測試對電池系統可能出現的碰撞沖擊情況進行模擬，考慮到了特殊情況下BMS的可靠程度。新標準在環境測試方面基本覆蓋了BMS在使用中面臨的各種機械、環境條件，同時測試方法還充分兼顧了BMS實際的裝配、使用條件，能夠更準確的測試出BMS的相關能力。

3.7 電氣適應性能

兩項標準均對BMS的電氣適應性能做出了一定要求，具體測試項目如下表8所示。QC_T 897-2011由于發布較早，標準中僅對BMS的過壓、欠壓運行進行了考量，針對BMS的12V/24V供電需求分別對BMS施加16V/32V和9V/18V供電電源持續1h驗證BMS的過壓、欠壓運行能力，要求BMS在運行期間狀態參數測量精度滿足要求。GB/T 38661-2020中對BMS的電氣適應性能引入了更多更全面的測試，新標準參考了GB/T28046.2-2011中多項測試，對BMS的供電能力從過電壓、交流干擾、電壓波動、反接以及信號線短路等方面性能進行全面測試，且要求BMS在不同項目需要滿足相應的功能狀態等級。

新標準中對BMS電氣適應性能的測試比起舊標準僅涉及到的過壓、欠壓運行能力，充分模擬了BMS供電可能出現的各種由整車系統供電引起的干擾、變化情況，同時考慮到電池系統出現安全問題時BMS輸入、輸出信號回路發生對電源短路的狀況，避免短路導致的BMS失效發生。標準更多的考慮了BMS在應用場景下面臨的各種情況，納入了與BMS電氣適應性緊密相關的標準條款，覆蓋面更廣。

3.8 電磁兼容性能

兩項標準都對BMS的電磁兼容能力做出了一定要求，QC_T 897-2011作為先行標準發布時行業上可參考引用的標準較少，所以標準中只規定了參考GB/T17619標準中的電磁輻射抗擾性進行測試，要求BMS在測試期間能夠正常運行且狀態參數測量精度滿足要求。GB/T 38661-2020考慮到BMS實際應用場景中裝配在整車上運行、充電等復雜條件下可能出現的各種信號源引起的電磁干擾，針對BMS的電源、采樣、通信、控制線路和輻射脈沖等進行抗干擾測試及靜態放電測試，新標準中參考了GB/T18655-2018中傳導干擾、輻射干擾，GB/T21437.2-2008中電源線瞬態傳導抗擾度，GB/T21437.3-2012中信號線/控制線瞬態傳導抗擾度，GB/T17626.4-2018中電快速瞬態脈沖群抗擾度，GB/T33014中輻射抗擾度，GB/T19951中靜態放電，引用了多項專項電磁兼容方面的標準，對BMS的電磁兼容性能進行了全面的測試考量。

4 結語

縱觀舊標準QC_T 897-2011到新標準GB/T 38661-2020的發展，標準中對項目測試項目覆蓋范圍的擴大，對具體項目從要求到方法的分類、細化、明確，都充分體現出BMS行業技術的發展對標準的影響。隨著BMS技術的進步，相關推行的標準也應更加切合BMS的能力范圍、使用條件、裝配環境，只有這樣標準對BMS的評定才更加有效，更為行業接受，更能保證BMS作為電池系統核心部件的安全性、可靠性;緊密聯系產品、行業的標準才能促進BMS技術的進一步發展，對行業的進步起到積極有效的促進作用。

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作者簡介：常宏 （1990.2-） 男 漢 天津 碩士 職稱：工程師 研究方向：動力電池測試。