电池BMS软件架构设计和电池安全标准及测试

随着电池特别是锂电池的发展及应用扩大， 人们对电池的电性能、环境适应以及安全等综合性能有进一步的认识和要求， （这个下面会有所展开说明），BMS(Battery Management System)就是其中重要一环， 特别是BMS软件架构优化及算法， 下面就开始简述下：

BMS软件架构

之前软件没有分层， 都是面向过程的执行体系， 造成代码复用率低、可移植性低以及函数之间耦合度高等问题，现在大型的应用如电动汽车（EV），笔记本电脑等都采用分层的设计， 下面是典型的设计应用，

重点在应用层， BMS就在这层， 关键的算法可以打包成API函数供研发人员便捷实现不同的控制策略， 针对汽车就简单说下应用层， 如下图

SOX的算法是基于SOC的算法，目前大多是安时积分加OCV的计算方法，也有密度法，开路电压法，内阻法以及神经模型和卡尔曼滤波等。同时还有SOP,SOE,SOH的估算，具体就不在这里展开。

电池综述

电池按结构可分为电芯（cell）和电池或电池组（battery）， 按充电与否可分为一次（原电池）和二次（可充）电池；按类型分为锂电池， 镍镉、镍氢等电池， 简单比较为：

电池（特别是锂离子电池）设计与选择考虑

面对满足各种不同的产品需求的各式各样的锂电池，我们在产品开发中选择电池通常会受到多种考虑影响，包括电力与能源的适用要求、由电池提供电力产品的默认使用环境以及电池成本。在选择适用的电池所会有的其他考虑可能含

1. 产品的预期运作周期 ( 持续或间断)
2. 需应用的产品所需的电池寿命
3. 电池的实体特性 ( 如尺寸、形状、重量等)
4. 维修及电池寿命终了时的相关考虑

电池的风险隐患和潜在危害对应的措施

电池制造商及以生产用电池供电产品的厂商，都应针对预期的使用情况来采以安全的方式进行产品设计，从而提供特定的性能特色。因此，不当的设计、未符合预期的使用方式或滥用产品可能皆会造成故障 ( 包括性能或安全性)。目前对于单芯电池与多芯电池 ( 如用在电动车上)，分别均设有

相关的被动性和主动性保护措施，以减缓或预防故障。但尽管如此，产品仍会面临多种性能及安全的艰巨挑战，包括电池内的活性物质在高温下的热稳定性，以及可能因为内部短路所导致的热失控。电池内部短路危害很大如过热高温，甚至起火爆炸， 为此日本电池标准 JIS C8714 明订内部短路测试，称为强迫内部短路 (FISC) 测试 ( 注：IEEE 1625 附录 D 参考资料有关 JIS C8714 的强迫内部短路测试)。

在产品研发的过程中，制造商应采用某些工具来进行风险评估，如故障模式及效果分析和故障树技术图分析。目前 UL 已应用上述工具来进行危险来源分析，并从中制订产品安全标准的安全测试 你可以参见 “FTA/FMEA 锂离子电池的安全性分析模型”─ UL 在 2009 年美国国家航空暨太空总署 (NASA) 的航天电池研讨会上所做的报告。

当然电池仅仅作为器件始终要从电池安全迈向系统安全，因为：
锂离子电池通常是直接销售给最终产品制造商 (OEM)，以作为终端产品中的组件。由于 OEM 的最终产品实际上掌控前述的种种功能，因此，与电池充电率、放电率及反向充电相关的安全议题，可能无法仅由测试电池而获得妥善解决。
有鉴于此，国际标准化组织正努力强化 OEM 产品与整合锂离子电池的兼容性，将适用的标准纳入适当的性能测试当中。这类性能测试的范例，可参见 IEC 60950-1 (UL 60950-1：2019) 信息科技设备安全第一节 (Information Technology Equipment – Safety-Part 1 ）。

电池的安全标准

为了规范及保护电池安全， 不同国际组织及行业团体制定了许多电池标准如下： （主要针对锂电池偏多， 所有的标准都是最新完整版）

1. UL(Underwriters Laboratories)
   UL 1642：2020 锂电池
   UL 1973：2018 应用于轻型电轨车及充电站的电池
   UL 2054：2011 家用及商用电池
   UL 2202：2018 电动汽车（EV）充电系统设备标准
   UL 2231：2020 电动汽车（EV）电池充电系统的保护装置要求
   UL 2251：2017 电动汽车的插头，插座和耦合器
   UL 2267：2020 Fuel Cell Power Systems for Installation in Industrial Electric Trucks（安装在工业电动卡车上的燃料电池动力系统）
   UL 2267：2020 工业电动卡车安装的燃料电池动力系统 - 完整中文翻译版（52页）
   UL 2271：2018 应用于轻型电动车的电池
   UL 2575：2012 用于电动机具及马达运作、灯具及加热装置的锂离子电池系统
   UL 2580：2020 电动车的电池
   UL 2580：2020 电动汽车电池 - 完整中文翻译版
   UL 2743：2018 汽车紧急启动电源组（英文）
   UL 2743：2018 汽车紧急启动电源组（中文翻译版）

2. 电机电子工程师学会(Institute of Electricaland Electronics Engineers)
   – IEEE1625：2008 用于多电芯移动计算设备的可充电式电池
   – IEEE1725：2011 用于手机的可充电式电池
   – IEEE1725：2006 手机电池（中文翻译版）
   – IEEE 1184：2006 IEEE不间断电源系统（UPS）电池指南

3. 美国国家电器制造商协会 NEMA(National Electrical Manufacturers Association）
   ANSI C18.2M：2013 第1部份-可携式可充电电池芯及电池组 – 一般和规格
   ANSI C18.2M：第2部份，可携式可充电电池芯及电池组–安全性标准

4. 美国汽车工程师协会 SAE(Society of Automotive Engineers)
   SAE J1715/2：2013 Battery Terminology(电池术语)
   SAE J2464：电动与Hybrid油电混合电动车可充电能源储存系统、安全性与误用测试
   SAE J2929：电动和Hybrid油电混合电动车电池系统安全性标准–可充电锂电池
   SAE J2950：2020 汽车型电池系统运输和处理的推荐做法 - 锂离子电池
   SAE J3021：2021 确定锂电池阴极活性材料的材料特性的推荐做法
   SAE J3193：2021 Fuel Cell Vehicle Thermal Management（燃料电池汽车热管理）

5. 国际电工委员会 IEC(International Electro Technical Commission)
   IEC 62133-1：2017 含碱性或其他非酸性电解质的二次电池和蓄电池的安全要求-第1部分：镍系统
   IEC 62133-2：2017 可充电的电池(含碱性电池)–可携式二次电池、电池组以及在应用于可携式产品中的安全规定-第2部分：锂系统
   IEC 62281：2019 运输中的一次与二次锂电池安全
   IEC 61056-1：2012 普通用途铅酸蓄电池-功能测试要求
   IEC 61056-2：2012 普通用途铅酸蓄电池-外形尺寸，端子和标记
   IEC 60950：2013 / EN 60950：2016 消费类产品用锂电池
   IEC 61959：2004 二次电池和电芯
   IEC 61951-1：2017 镍-镉电池
   IEC 61951-2：2017 镍-氢电池
   IEC 60086全系列 原电池 - 包含下面全部6份最新英文版标准文件.rar
   IEC 60086-1：2015 原电池（一次）总体要求
   IEC 60086-1：2021 Primary batteries-Part 1：General(原电池 -第 1 部分：总则) - 取代上面2015年版本
   IEC 60086-2：2015 原电池（一次）外形尺寸和电性能
   IEC 60086-2：2021 原电池 - 第 2 部分：物理和电气规范 - 取代上面2015年版本
   IEC 60086-3：2016 原电池（一次）之手表电池
   IEC 60086-3：2021 原电池 - 第 3 部分：手表电池 - 取代上面2016年版本
   IEC 60086-4：2019 原电池（一次）之锂电池的安全性
   IEC 60086-5：2016 原电池（一次）之水电解质电池的安全性
   IEC 60086-6：2020 原电池（一次）之环境方面的指导意见
   IEC 60095-1：2018 铅酸起动电池组的一般要求和测试方法
   IEC 60095-6：2019 铅酸起动电池 – 第6部分：微循环应用电池
   IEC 60623：2017 棱柱形可充电镍镉单体电池电性能要求
   IEC 61960-3：2017 菱形和圆柱形二次锂电池电性能
   IEC 61960-4：2020 纽扣式二次锂电池电性能
   IEC 60050-482：2004+AMD1：2016 一次和二次电芯及电池国际电工词汇
   IEC TR 62660-4：2017 电动车二次锂离子电池内部短路试验的备选试验方法
   IEC 62660-3：2016 电动车二次锂离子电池的安全要求
   IEC 62660-2：2018 电动车二次锂离子电池的可靠性和滥用测试
   IEC 62660-1：2018 电动车二次锂离子电池性能测试
   IEC 62282-2-100：2020 燃料电池模块的安全标准
   IEC 62282-8-101：2020 以反向模式使用燃料电池模块的单电池和电池组性能的测试程序
   IEC 62485-1：2015 二次电池和电池安装的安全要求
   IEC 62485-2：2010 二次电池和电池装置的安全要求 - 第2部分：固定式电池
   IEC 62485-3：2014 二次电池和电池装置的安全要求 - 第 3 部分：牵引电池
   IEC 62485-4：2015 二次电池和电池装置的安全要求 - 第 4 部分：用于便携式设备的阀控铅酸电池
   IEC 62485-5：2020 二次电池和电池安装的安全要求 - 第5部分：固定式锂离子电池的安全操作
   IEC 62485-6：2021 二次电池和电池装置的安全要求 - 第6部分：电动越野车牵引应用中锂离子电池的安全运行
   IEC 62984-1：2020 高温二次电池第1部分：一般要求
   IEC 62984-2：2020 高温二次电池–第2部分：安全要求和测试
   BS EN IEC 62984-3：2020 高温二次电池第3部分：钠基电池性能要求和试验
   IEC 61982：2012 电动道路车辆推进用二次电池（锂除外）-性能和耐久性试验
   IEC 61982-4：2015 电动道路车辆用推进器（锂除外）第4部分：镍氢电池和模块的安全要求
   IEC 60254-2：2008 铅酸牵引电池第2部分：电池和端子的尺寸以及电池上的极性标记
   IEC 63193：2020 电动摩托车/三轮车用铅酸蓄电池一般要求和试验方法
   IEC 60952-1：2013 飞机电池第1部分：一般测试要求和性能等级
   IEC 60952-2：2013 飞机电池-第2部分：设计和构造要求
   IEC 60952-3：2013 飞机电池-第3部分：产品规范以及设计和性能声明（DDP）
   IEC-TR-62188：2003 含碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池－由密封二次电池制成的便携式电池的设计和制造建议
   IEC 61434：1996 碱性或其他非酸性电解质的二次电池和蓄电池标准中的电流指示指南
   IEC TR 61438：1996 碱性二次电池和电池使用中可能存在的安全和健康危害-设备制造商和用户指南
   IEC 62259：2003 含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池组。部分气体复合的镍镉棱柱形二次单电池
   IEC 62619：2017 含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池 - 用于工业应用的二次锂电池和电池的安全要求
   IEC 62675：2014 含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池。密封的镍金属氢化物棱柱形可充电单体电池
   IEC 62899-501-1：2019 印刷电子：质量评估 - 失效模式和机械测试 - 柔性或可弯曲的原电池或二次电池
   IEC 62973-1：2018 铁路应用 - 机车车辆 - 辅助电源系统的电池 - 第 1 部分：一般要求
   IEC 62973-2：2020 铁路应用 - 机车车辆 - 辅助电源系统电池 - 第 2 部分：镍镉 (NiCd) 电池
   IEC 62973-4：2021 铁路应用 - 机车车辆 - 辅助电源系统的电池 - 第 4 部分：二次密封镍金属氢化物电池
   IEC 63056：2020 含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池组 - 用于电能存储系统的二次锂电池和电池组的安全要求
   IEC 63057：2020 含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池 - 用于非推进道路车辆的二次锂电池的安全要求
   IEC 63115-1：2020 含碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池–工业应用中使用的密封式镍氢电池和电池–第1部分：性能
   IEC 63115-2：2021 含碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池–工业应用中使用的密封镍氢电池和电池–第二部分：安全)

6. 联合国 UN
   UN38.3 中英文版 针对第38.3节第三部份对危险物品的运输、测试方法与条件的建议
   UN38.3 -2019(Rev 7) Lithium metal and lithium ion batteries（金属锂和锂离子电池组）- 最新版本
   UN 38.3 - 2019(Rev 7) 金属锂和锂离子电池组 - 最新中文电子版（14页）- 最新版本
   UN - Manual of Tests and Criteria(试验和标准手册)：2019（Rev7）- 完整版且包含UN38.3标准

7. 日本技术标准规格协会(Japanese Standards Association)
   JIS C 8714：2007 应用用于便携式电子产品的便携式二次式锂离子电池芯与电池组的安全测试
   JIS C 8711：2019 便携式二次式锂离子电池芯与电池组的电性能测试

8. 电池安全组织(Battery Safety Organisation)
   BATSO01：2008 评估轻型电动车能源系统方法–二次式锂电池

9. 中国·
   SN/T 1414.5-2016 电动汽车用单体锂离子电池进出口安全检验方法
   GB 38031-2020 电动汽车用动力蓄电池安全要求

10. PD ISO/IEC
    PD ISO/IEC PAS 16898：2012 电动道路车辆二次锂离子电池的尺寸和名称

11. ISO（International Organization for Standardization）
    ISO 12405-4：2018 电动车锂电池性能测试
    ISO 12405-3：2014 电动车锂电池安全性能要求
    ISO 12405-2：2012 电动车锂电池高能量应用
    ISO 12405-1：2011 电动车锂电池高功率应用

电池的测试

1. 测试项目 vs 测试标准
   

2. 测试标准 vs 分类（安全性/环境/电性能）
   

3. CTIA认证计划
   – CTIA-Battery Compliance Certification Program（电池合规认证计划）
   – CTIA-Battery Life Certification Program（CTIA-电池寿命认证计划）

4. 电池再利用
   – UL 1974：2018 Evaluation for Repurposing Batteries - 电池再利用的评估

5. 可靠性测试
   – IEC 60077-1：2017 铁路应用 - 机车车辆电气设备 - 第 1 部分：一般使用条件和一般规则
   – IEC 61373：2010 铁路应用 - 机车车辆设备 - 冲击和振动试验
   – IEC 61373：2010 铁路应用—机车车辆设备—冲击和振动试验 - 完整中文电子版（34页）
   – IEC 62498-1：2010 铁路应用 - 设备的环境条件 - 第 1 部分：机车车辆上的设备