电池管理系统 (BMS)

什么是电池管理系统 (BMS)

电池管理系统 (BMS) 是一种专用于监督电池组的技术，电池组是电池单元的组装体，以行 x 列矩阵配置进行电气排列，以便在预期的负载情况下在一段时间内提供目标范围的电压和电流。

BMS 提供的监督通常包括：

• 监控电池

• 提供电池保护

• 评估电池的运行状态

• 持续优化电池性能

• 向外部设备报告运行状态

此处，“电池”一词指的是整个电池组；然而，监控和控制功能具体应用于单个电池，或整个电池组组件中称为模块的电池组。锂离子充电电池具有最高的能量密度，是从笔记本电脑到电动汽车等众多消费产品电池组的标准选择。虽然它们性能卓越，但如果在通常严格的安全操作区 (SOA) 之外操作，则可能相当难以承受，后果从损害电池性能到彻底的危险后果不等。BMS 的工作描述无疑颇具挑战性，其整体复杂性和监管范围可能涵盖电气、数字、控制、热能和液压等多个学科。

图：电池管理系统架构图

电池管理系统 (BMS)如何工作？

电池管理系统没有一套必须采用的固定或独特的标准。技术设计范围和实现的功能通常与以下因素相关：

• 电池组的成本、复杂性和尺寸

• 电池的应用以及任何安全、寿命和保修问题

• 各种政府法规的认证要求，如果功能安全措施不足，成本和罚款将至关重要

BMS 设计功能众多，其中电池组保护管理和容量管理是两个关键功能。我们将在此讨论这两个功能的工作原理。电池组保护管理包含两个关键领域：电气保护，即防止电池因超出其 SOA 范围使用而受损；以及热保护，即通过被动和/或主动温度控制来维持电池组或使其处于 SOA 范围内。

电气管理保护：电流

监控电池组电流以及电池或模块电压是实现电气保护的关键。任何电池单元的电气安全工作区 (SOA) 都受电流和电压约束。图 1 展示了一个典型的锂离子电池 SOA，精心设计的 BMS 可以防止电池在制造商规定的额定值之外运行，从而保护电池组。在许多情况下，为了延长电池寿命，可以进一步降低额定值，使其处于 SOA 安全区内。

锂离子电池的充电电流限值与放电电流限值不同，两种模式都能处理更高的峰值电流，尽管持续时间较短。电池制造商通常会规定最大连续充电和放电电流限值，以及峰值充电和放电电流限值。提供电流保护的 BMS 肯定会施加最大连续电流。但是，这可能需要先考虑负载条件的突然变化，例如电动汽车的突然加速。BMS 可以通过积分电流并在时间增量后决定是降低可用电流还是完全中断电池组电流来集成峰值电流监控。这使得 BMS 对极端电流峰值（例如尚未引起任何内置保险丝注意的短路情况）具有几乎瞬时的灵敏度，但只要峰值需求不是持续过高，它也能容忍。

电气管理保护：电压

图 2 显示锂离子电池必须在特定电压范围内工作。这些 SOA 边界最终将由所选锂离子电池的固有化学性质以及电池在任何给定时间的温度决定。此外，由于任何电池组都会经历大量的电流循环、负载需求放电以及来自各种能源的充电，因此这些 SOA 电压限值通常会受到进一步限制，以优化电池寿命。BMS 必须了解这些限值，并根据接近这些阈值的情况发出指令决策。例如，当接近高压限值时，BMS 可能会请求逐渐降低充电电流，或者在达到限值时请求完全终止充电电流。然而，此限值通常伴随额外的固有电压滞后考虑，以防止控制在关断阈值附近震颤。另一方面，当接近低压限值时，BMS 会请求关键的活跃违规负载降低其电流需求。对于电动汽车，这可以通过降低牵引电机的允许扭矩来实现。当然，BMS在保护电池组防止永久性损坏的同时，必须将驾驶员的安全考虑放在首位。

热管理保护：温度

从表面上看，锂离子电池似乎具有很宽的温度工作范围，但由于化学反应速率显著减慢，电池总容量在低温下会降低。就低温性能而言，它们的表现确实比铅酸电池或镍氢电池好得多；然而，温度管理至关重要，因为在低于 0 °C (32 °F) 的温度下充电存在物理问题。在低于冰点的温度下充电时，阳极可能会出现金属锂沉积现象。这会造成永久性损坏，不仅会导致容量下降，而且如果受到振动或其他压力条件的影响，电池更容易发生故障。BMS 可以通过加热和冷却来控制电池组的温度。

实际的热管理完全取决于电池组的尺寸和成本、性能目标、BMS 的设计标准以及产品单元，其中可能包括目标地理区域的考虑（例如阿拉斯加与夏威夷）。无论加热器类型如何，通常从外部交流电源或用于在需要时操作加热器的备用内置电池获取能量更为有效。但是，如果电加热器的电流消耗适中，则可以从主电池组中抽取能量来加热自身。如果采用热液压系统，则使用电加热器加热泵送并分配到整个电池组组件的冷却液。

BMS 设计工程师无疑会运用一些巧妙的设计技巧，将热能缓慢地导入电池组。例如，可以开启 BMS 内部用于容量管理的各种电力电子元件。虽然效率不如直接加热，但仍然可以加以利用。冷却对于最大限度地降低锂离子电池组的性能损失至关重要。例如，某个电池在 20°C 时工作最佳；如果电池组温度升至 30°C，其性能效率可能会降低多达 20%。如果电池组在 45°C (113°F) 的温度下持续充电，性能损失可能会高达 50%。如果持续暴露于过热环境中，尤其是在快速充电和放电循环中，电池寿命也可能会过早老化和衰减。冷却通常通过两种方法实现：被动冷却或主动冷却，并且两种技术都可以采用。被动冷却依靠气流来冷却电池。对于电动汽车而言，这意味着它只是在道路上行驶。然而，它可能比看起来更复杂，因为可以集成空气速度传感器来策略性地自动调整偏转气坝，从而最大限度地增加空气流量。在低速或车辆停止时，使用主动温控风扇会有所帮助，但这只能使电池组与周围的环境温度保持平衡。在炎热的天气里，这可能会提高电池组的初始温度。热液压主动冷却可以设计为一个补充系统，通常使用具有特定混合比的乙二醇冷却剂，通过电动机驱动的泵在管道/软管、分配歧管、横流热交换器（散热器）和靠近电池组组件的冷却板中循环。BMS 监控整个电池组的温度，并打开和关闭各种阀门，将整个电池的温度保持在较窄的温度范围内，以确保最佳电池性能。

容量管理

实际的热管理完全取决于电池组的尺寸和成本、性能目标、BMS 的设计标准以及产品单元，其中可能包括目标地理区域的考虑（例如阿拉斯加与夏威夷）。无论加热器类型如何，通常从外部交流电源或用于在需要时操作加热器的备用内置电池获取能量更为有效。但是，如果电加热器的电流消耗适中，则可以从主电池组中抽取能量来加热自身。如果采用热液压系统，则使用电加热器加热泵送并分配到整个电池组组件的冷却液。

BMS 设计工程师无疑会运用一些巧妙的设计技巧，将热能缓慢地导入电池组。例如，可以开启 BMS 内部用于容量管理的各种电力电子元件。虽然效率不如直接加热，但仍然可以加以利用。冷却对于最大限度地降低锂离子电池组的性能损失至关重要。例如，某个电池在 20°C 时工作最佳；如果电池组温度升至 30°C，其性能效率可能会降低多达 20%。如果电池组在 45°C (113°F) 的温度下持续充电，性能损失可能会高达 50%。如果持续暴露于过热环境中，尤其是在快速充电和放电循环中，电池寿命也可能会过早老化和衰减。冷却通常通过两种方法实现：被动冷却或主动冷却，并且两种技术都可以采用。被动冷却依靠气流来冷却电池。对于电动汽车而言，这意味着它只是在道路上行驶。然而，它可能比看起来更复杂，因为可以集成空气速度传感器来策略性地自动调整偏转气坝，从而最大限度地增加空气流量。在低速或车辆停止时，使用主动温控风扇会有所帮助，但这只能使电池组与周围的环境温度保持平衡。在炎热的天气里，这可能会提高电池组的初始温度。热液压主动冷却可以设计为一个补充系统，通常使用具有特定混合比的乙二醇冷却剂，通过电动机驱动的泵在管道/软管、分配歧管、横流热交换器（散热器）和靠近电池组组件的冷却板中循环。BMS 监控整个电池组的温度，并打开和关闭各种阀门，将整个电池的温度保持在较窄的温度范围内，以确保最佳电池性能。

BMS 介入并挽救局面，在本例中是电池组。为了说明其工作原理，需要解释一个关键定义。电池或模块在给定时间的荷电状态 (SOC) 与可用电量占充满电时总电量的比例成正比。因此，电池 SOC 为 50% 意味着充电量为 50%，这类似于电量计的品质因数。BMS 容量管理的核心在于平衡电池组组件中每个电池组的 SOC 变化。由于 SOC 并非可直接测量的量，因此可以通过各种技术进行估算，而平衡方案本身通常分为两大类：被动平衡和主动平衡。各种方案各有优缺点。BMS 设计工程师需要根据给定的电池组及其应用情况确定哪种方案最佳。被动平衡最容易实现，也最容易解释其通用平衡概念。被动平衡方法允许电池组中的每个电池拥有与电量最弱的电池相同的充电容量。它使用相对较低的电流，在充电周期内从高SOC电池单元中转移少量能量，以便所有电池单元都能充电至其最大SOC。图4展示了BMS如何实现这一过程。它监控每个电池单元，并利用一个晶体管开关和一个与每个电池单元并联的适当大小的放电电阻。当BMS感应到某个电池单元即将达到其充电极限时，它会以自上而下的方式将过剩电流引导至该电池单元下方的下一个电池单元。

平衡过程的前后端点如图 5 所示。总之，BMS 通过允许电池组中的电池或模块以下列方式之一看到与电池组电流不同的充电电流来平衡电池组：

• 从充电最多的电池中移除电荷，从而为额外的充电电流提供空间以防止过度充电，并允许充电较少的电池接收更多的充电电流

• 将部分或几乎全部充电电流重新定向到充电最多的电池周围，从而使充电较少的电池能够更长时间地接收充电电流

电池管理系统 (BMS)的类型

电池管理系统种类繁多，从简单到复杂，涵盖各种不同的技术，以实现其“呵护电池”的首要目标。然而，这些系统可以根据其拓扑结构进行分类，拓扑结构与系统如何安装以及如何在整个电池组中对电芯或模块进行操作有关。

集中式BMS架构 

电池组组件中只有一个中央 BMS。所有电池组都直接连接到中央 BMS。集中式 BMS 的结构如图 6 所示。集中式 BMS 具有一些优势。它更紧凑，而且由于只有一个 BMS，因此往往最经济。然而，集中式 BMS 也存在一些缺点。由于所有电池都直接连接到 BMS，因此 BMS 需要大量端口来连接所有电池组。这意味着大型电池组中需要大量的电线、电缆、连接器等，这使得故障排除和维护变得复杂。

模块化BMS拓扑 

与集中式方案类似，BMS 被划分为多个重复模块，每个模块都有专用的线束，并连接到电池组的相邻指定部分。参见图 7。在某些情况下，这些 BMS 子模块可能位于主 BMS 模块的监督之下，主 BMS 模块的功能是监控子模块的状态并与外围设备通信。由于采用重复的模块结构，故障排除和维护更加容易，并且可以轻松扩展到更大的电池组。缺点是总体成本略高，并且根据应用情况，可能会出现重复的未使用功能。

主/从BMS

然而，从概念上来看，这种拓扑结构与模块化拓扑结构类似，但从属设备仅限于中继测量信息，而主设备则专注于计算、控制以及外部通信。因此，虽然与模块化拓扑结构类似，但由于从属设备的功能往往更简单，开销可能更低，未使用的功能也更少，因此成本可能更低。

分布式BMS架构 

分布式电池管理系统 (BMS) 与其他拓扑结构截然不同，其他拓扑结构将电子硬件和软件封装在模块中，并通过连接线束与电池连接。分布式电池管理系统 (BMS) 将所有电子硬件集成到一块控制板上，直接放置在受监控的电池或模块上。这将大量布线简化为相邻 BMS 模块之间的少量传感器线和通信线。因此，每个 BMS 更加独立，并可根据需要处理计算和通信。然而，尽管这种集成形式看似简单，但由于其位于屏蔽模块组件的深处，因此可能会给故障排除和维护带来问题。由于整个电池组结构中的 BMS 数量较多，成本也往往更高。

电池管理系统 (BMS)的重要性

功能安全对于电池管理系统 (BMS) 至关重要。在充电和放电过程中，至关重要的是防止任何受监控的电池或模块的电压、电流和温度超过规定的安全工作区 (SOA) 限值。如果长时间超过限值，不仅会损害潜在的昂贵电池组，还可能导致危险的热失控情况。此外，为了保护锂离子电池和功能安全，还会严格监控较低的电压阈值限值。如果锂离子电池一直处于这种低电压状态，最终可能会在阳极上生长铜枝晶，从而导致自放电率升高，并引发潜在的安全隐患。锂离子供电系统的高能量密度是以电池管理容错率低为代价的。得益于 BMS 和锂离子技术的改进，锂离子电池已成为当今最成功、最安全的电池化学技术之一。

电池组性能是BMS（电池管理系统）的下一个重要特性，它涉及电气和热管理。为了在电气上优化电池总容量，需要平衡电池组中的所有电池单元，这意味着整个组件中相邻电池单元的SOC大致相等。这一点至关重要，因为它不仅可以实现最佳电池容量，还有助于防止整体性能下降，并减少因对弱电池单元过度充电而产生的潜在热点。锂离子电池应避免在低于低电压限值的情况下放电，因为这会导致记忆效应和严重的容量损失。电化学过程极易受温度影响，电池也不例外。当环境温度下降时，电池容量和可用能量会大幅下降。因此，BMS可能会启动外部直列加热器，例如安装在电动汽车电池组的液体冷却系统上，或者启动安装在直升机或其他飞机电池组模块下方的常驻加热板。此外，由于对低温锂离子电池单元充电会损害电池寿命，因此首先充分升高电池温度至关重要。大多数锂离子电池在低于 5°C 时无法快速充电，低于 0°C 时则完全无法充电。为了在典型操作使用过程中实现最佳性能，BMS 热管理通常可确保电池在较窄的“金发姑娘”工作温度范围内（例如 30 – 35°C）运行。这可以保障性能，延长电池寿命，并促进电池组健康可靠地运行。

电池管理系统 (BMS)的优势

整个电池储能系统（通常称为 BESS）可能由数十个、数百个甚至数千个锂离子电池策略性地组合在一起构成，具体取决于应用场景。这些系统的额定电压可能低于 100V，但也可能高达 800V，电池组供电电流高达 300A 或更高。任何高压电池组的管理不当都可能引发危及生命的灾难。因此，BMS 对于确保安全运行至关重要。BMS 的优势可以概括如下。

• 功能安全。 毫无疑问，对于大尺寸锂离子电池组而言，这一点尤为谨慎且至关重要。但即使是笔记本电脑等小型电池组，也已知会发生起火并造成巨大损失。为了保障锂离子供电系统产品用户的人身安全，电池管理失误的几率极小。

• 寿命和可靠性。 电池组保护管理（包括电气和热保护）确保所有电池均在声明的SOA要求范围内使用。这种精细的监控确保电池在剧烈使用和快速充放电循环中得到妥善保护，最终形成一个稳定的系统，从而有可能提供多年的可靠服务。

• 性能和续航里程。BMS 电池组容量管理采用电池间平衡技术，使整个电池组内相邻电池的 SOC 均衡，从而实现最佳电池容量。如果 BMS 无法应对自放电、充放电循环、温度影响和一般老化等因素的影响，电池组最终可能会报废。

• 诊断、数据收集和外部通信。 监督任务包括持续监测所有电池单元，其中数据记录本身可用于诊断，但通常用于计算任务，以估算电池组中所有单元的 SOC。这些信息可用于平衡算法，但可以集中传输到外部设备和显示器，以指示可用的驻留能量，根据当前使用情况估算预期续航里程或续航里程/寿命，并提供电池组的健康状况。

• 降低成本和保修。 在电池储能系统 (BESS) 中引入 BMS 会增加成本，而且电池组价格昂贵且存在潜在危险。系统越复杂，安全要求就越高，因此需要更多的 BMS 监控。但是，BMS 在功能安全、寿命和可靠性、性能和续航里程、诊断等方面的保护和预防性维护，可以确保降低总体成本，包括与保修相关的成本。