車載蓄電池作為新能源電動汽車的核心，直接關係到車輛壽命、行駛里程、車輛經濟性、安全性，這一切又取決於電池管理系統的效能。

而電池管理系統監控的準確性、執行動作可靠性則依賴各類感測器，故對於感測器技術的研究與分析尤為必要。

新能源電動汽車電池管理系統

電池管理系統（Battery Management System，簡稱BMS）是監控車用蓄電池的電壓、電流、負載、溫度等狀態，並能為其提供安全、通訊、電芯均衡和管理控制，提供同應用裝置通訊介面的系統，如圖1所示。

BMS具備監控蓄電池系統總電壓、電流資料，獲取單體電池、電芯組、電池模組電壓，掌握電池包內溫及其形態等資料。它主要由3個部分構成，包括硬體架構、底層軟體以及應用軟體。

硬體架構

BMS硬體包含CPU、電源和取樣IC、隔離變壓器、CAN模組、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬體結構如圖2所示，集中式、分散式是BMS硬體的拓撲結構。

集中式把電子部件歸納在板塊內，鏈路簡單，成本低廉，缺點是穩定性不足。

分散式由主機板、從板組成，系統配置靈活，通道利用率高，適用於各類電池組，缺點是電池模組數量不足時造成通道浪費。BMS的主控制器具備處理上報來的資訊、綜合判斷電池執行情況、實現控制策略並處理故障資訊功能。

高壓控制器具備收集上報總電壓、電流，併為主機板提供載荷情況（SOC）、健康狀況（SOH）所需資料，實現預充電、絕緣兩項檢測功能。從控制器具備單體電池資訊採集上報，擁有動平衡功能，可以保持電芯的動力輸出一致性。取樣控制線束具備同時在每一根電壓取樣線上新增冗餘保險功能，可避免電池外部短路故障（圖2）。

底層軟體

根據汽車開放系統結構（AUTO motive Open System Ar－chitecture，簡稱AUTOSAR），架構為了減少對硬體裝置的依賴性，將BMS劃分為諸多通用功能區塊。能夠對不同的硬體實現配置，並對應用層軟體影響較小。其需要透過RET介面與應用層軟體連結，介於故障診斷事件管理（DEM）、故障診斷通訊管理（DCM）、功能資訊管理（FIM）以及CAN通訊預留介面等靈活性要求，應當從應用層進行配置。

應用層軟體

應用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。

1）高低壓管理主要是需要上電時，VCU透過硬線（CAN訊號）的12V激發BMS，待後者完成自檢後閉合繼電器上高壓；需要下電時，VCU下達指令斷開12V訊號，或者在充電時由CP（A＋）訊號激發。

2）充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45min內完成衝入電量80％，要透過充電輔助電源A＋訊號激發，目前國標中對快充尚未完成統一，即存在2011和2015兩個快充版本。

3）SOC是狀態估算功能的核心控制演算法，表示電池剩餘容量，透過特定的安時積分法計算得出；SOH是判別電池的壽命狀態及電池充滿狀態下的容量，一般低於80％的電池不得繼續使用；SOP需要根據溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時發出訊號讓電力系統限定部分功能；SOE演算法是用來估算剩餘續航里程的，當前開發得較為簡單，因此新能源電動車續航里程常常不準確，俗稱“空電”現象。

4）均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由於電路當中必將由於效能最差的單體電池的截止而截止，造成其餘效能完備電池蓄存量的浪費。均衡控制分為主動和被動，其中主動控制將單體間能量進行轉移，其結構複雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優勢更為明顯，目前備受廠家青睞。

5）故障診斷主要是根據資料採集、一般性故障、電氣裝置故障、通訊故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級，並採取對應措施。

電池管理系統中感測器應用

BMS中主要應用的感測器有電流感測器、溫溼度感測器、電壓感測器、位置感測器和氣體感測器。

電流感測器

霍爾電流感測器：

霍爾效應（HallEffect）感測器變化的磁場轉為變化的電壓，其屬於間接測量。可分為開環式、閉環式兩類，後者精度較高。霍爾電流感測器簡化了電路，僅要連通直流電源正負極，將被測電流母線穿過感測器便完成主電路和控制電路的隔離檢測，如圖4所示。

感測器輸出訊號為副邊電流，和原邊電流（輸入訊號）成正比，數值較小，需進行A/D轉換。霍爾電流感測器集互感器、分流器優點於一身且結構更為簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密複雜的新能源電動車電源環境。

磁通門電流感測器：

磁通門原理（FluxGate）即為易飽和磁芯在激勵電流影響下，激勵電流大小改變電感強度，進而改變磁通量大小，磁通量則如同門那樣開啟或者閉合。普通霍爾電流感測器精度在0.5％～2％之間，而磁通門電流感測器利用磁通門原理製作而成，精度能夠達到0.1％甚至更高，因此也稱之為高精度電流感測器。

結構上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環和閉環兩類。此處著重介紹閉環磁通門電流感測器，即放大磁通門激勵電流二次諧波訊號，驅動補償線圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態；對於HPIT系列磁通並不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀，如圖5所示。

磁通門電流感測器從結構上分為4類，分別是單磁環、雙磁環、雙磁環（遮蔽）、多磁環（巢狀）。

由於集具磁通門原理高靈敏性、閉環磁平衡與匝比輸出嚴格對應性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除振盪諧波影響輸出乾淨性等優點，因此閉環磁通門電流感測器被廣泛應用於各型新能源電動車產品當中，如特斯拉Model3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷車型。

溫溼度感測器

溫度感測器：

溫度對於BMS效能發揮意義重大，為了進一步提升電池利用率，防止電池過度放（充）電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內建NTC溫度感測器來監測溫度。NTC溫度感測器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經過陶瓷技術和半導體技術結合製成，工作原理為這些材料載流子數目少，電阻較高，當溫度升高時，載流子數目相應增加，電阻對應降低（圖7）。

其擁有電阻率高、熱容小、響應快，阻值與溫度線性關係優良，能彎曲、價格低、壽命長等優點。常用的有3類：地環外殼NTC溫度感測器，俗稱“地環型”；環氧樹脂封裝NTC溫度感測器，俗稱“水滴頭”、“小黑頭”；薄膜NTC溫度感測器。

溼度感測器：

溼度感測器就是一種把環境溼度量轉變成能夠被電訊號標記的裝置或者裝置，常見的溼度感測器測量的量為相對溼度。現在新能源電動汽車BMS常用的溼度感測器有電阻式溼敏元件和電容式溼敏元件。其原理是在基片上塗敷一層用感溼材料膜，環境中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電阻值會變化，就能測出溼度。

溼度因素在新能源電動車電池管理系統中尤為難以捕捉，但對於電池的效能、壽命影響巨大。對感測器的溼度輸出予以溫度補償，得到線性電壓，輸入到帶有ADC的新能源電動汽車的BMS當中。

電壓感測器：

電動汽車供電系統的電池組由幾百個串聯電芯聯通，故而測量電壓的通道需求較大。串聯電池組為累計電壓，但單個電池電動勢並不相同，不能簡單採用單向補償法消去誤差。電池電壓採集需要高精度，達到1mV，而目前採集精度僅有5mV。

電壓感測器能夠讓被測電池電壓轉換成可輸出訊號的感測器，新能源電動汽車用的電致發光效應電壓感測器是測量發光材料在被測電壓發光強度情況來獲得被測電壓有效數值。同傳統的光學電壓感測器相比，基於電致發光效應的電壓感測器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩定性，另一方面也對感測器結構進行簡化、降低生產成本。

位置感測器：

BMS中的位置感測器是一項《電池溫控管理系統及電動汽車》實用新型專利當中提到的，目前在新能源電動汽車中尚未廣泛應用。位置感測器主要是用於檢測BMS系統中水冷裝置中冷卻液麵的位置情況。

位置感測器被安裝在冷卻水浮漂上，用於對冷卻液相對於膨脹水壺液麵位置進行檢測，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個浮漂，並在每個浮漂上安裝位置感測器，以便於車輛在經過陡坡等路段或冷卻系統中存有大量氣泡時，BMS及時調節控制主水泵與副水泵進行切換執行。

氣體感測器：

一氧化碳感測器：為了儘可能減少人員傷亡及損失，及時發現火情，提前預警，顯得非常重要。動力電池熱失控，電池起火前通常會產生大量CO，因此監控CO的濃度無疑是一種有效的解決方案。一旦超過報警閾值，啟動報警啟，疏散人員及啟動滅火，從而爭取到更多寶貴的時間。

氫氣感測器：對於新能源汽車而言，氫氣感測器不僅能用於監測儲氫瓶和燃料電池系統中氫氣的洩露，還能用於檢測排放尾氣中的氫氣濃度。新能源汽車也就能根據這些監測的資訊來實時分析電堆的效能和反應程度，從而及時調整相關輸入指標或資料配置來實現車輛的安全、高效執行。

電池管理系統感測器技術發展趨勢

功能整合化趨勢

新能源電動汽車一直在朝向輕量化方向發展，與此同時對於部件的整合化要求更加嚴苛。BMS是一個結構複雜、功能整合的管理系統，其體積較小，因此要求感測器具備多功能一體性，進而能夠用最少數量感測器就能夠全面監控電池系統。在發生異常時，也能夠更快更準的找到故障點。

監測精準化趨勢

未來產品對感測器技術的監測資料精度將越來越精細，對於電流電壓、溫溼度等資料的採集需要更精準的資料，從而提升使用者對電池系統工況的準確掌握。下一步需要從理論模擬、實驗研究兩個方面同時入手，研究探索出新一代監測高效高精度的BMS感測器。

產品安全化趨勢

功能安全是新能源電動汽車的基本要求，也是感測器技術發展的必然趨勢。一方面是需要確保感測器產品自身使用安全性，另一方面則是感測器支撐起來的整個BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車安全性，影響使用者的駕駛體驗與人身安全。