何为电池管理系统？电源管理系统用途分析

　　BMS对不同的人意味着不同的东西。对某些人来说，它只是电池监控，在充电和放电过程中检查关键操作参数，例如电压和电流以及电池内部和环境温度。监控电路通常会为保护设备提供输入，如果任何参数超出限制，保护设备将产生警报或断开电池与负载或充电器的连接。

　　对于负责备用电源的电力或工厂工程师来说，电池是防止停电或电信网络中断的最后一道防线，BMS意味着电池管理系统。这种系统不仅包括电池的监控和保护，还包括在需要时保持电池准备好提供全功率的方法以及延长其使用寿命的方法。这包括从控制充电制度到计划维护的所有内容。

　　对于汽车工程师来说，电池管理系统是更复杂的快速作用能量管理系统的组成部分，必须与其他车载系统（如发动机管理、气候控制、通信和安全系统）连接。

　　因此，BMS有很多品种。

　　设计裸金属服务器

　　为了控制电池的性能和安全性，有必要了解需要控制什么以及为什么需要控制。这需要深入了解基本的电池化学成分、性能特征和电池故障模式，尤其是锂电池故障。电池不能简单地被视为黑匣子。

　　BMS构建块

　　所有电池管理系统有三个共同的目标

　　保护电池或电池免受损坏

　　延长电池的使用寿命

　　将电池保持在可以满足指定应用程序的功能要求的状态。

　　为了实现这些目标，房舍管理处可以纳入以下一项或多项职能。（点击链接查看这些功能是如何实现的。

　　细胞保护保护电池免受超出公差的工作条件的影响是所有BMS应用的基础。在实践中，BMS必须提供全面的细胞保护，以涵盖几乎所有可能发生的情况。在规定的设计限制之外操作电池将不可避免地导致电池故障。除了不便之外，更换电池的成本可能令人望而却步。对于必须在恶劣环境中运行的高压和高功率汽车电池尤其如此，同时又容易被用户滥用。

　　充电控制这是BMS的一个基本功能。与任何其他原因相比，因充电不当而损坏的电池更多。

　　需求管理虽然与电池本身的操作没有直接关系，但需求管理是指使用电池的应用。其目标是通过在应用电路中设计节能技术来最大限度地减少电池的电流消耗，从而延长电池充电之间的时间。

　　土壤有机碳测定许多应用需要了解电池或电池链中单个电池的充电状态（SOC）。这可能只是为了向用户提供电池中剩余容量的指示，或者可能需要在控制电路中确保对充电过程的最佳控制。

　　SOH 测定健康状态 （SOH）

是衡量电池提供其指定输出的能力的指标。这对于评估应急电力设备的准备情况至关重要，也是是否需要采取维护措施的指标。

　　电池平衡在多节电池链中，由于生产公差或工作条件而导致的电芯之间的微小差异往往会随着每个充电/放电循环而放大。较弱的电池在充电过程中会受到过大的压力，导致它们变得更弱，直到它们最终失效导致电池过早失效。电池平衡是一种通过均衡链中所有电池上的电荷来补偿较弱电池的方法，从而延长电池寿命。

　　历史 -

（日志功能）监控和存储电池的历史记录是BMS的另一个可能功能。这是为了估计电池的健康状况所必需的，也是为了确定它是否受到滥用。可以记录循环次数、最大和最小电压和温度以及最大充电和放电电流等参数，以供后续评估。这可能是评估保修索赔的重要工具。

　　认证和识别BMS还允许记录有关电池的信息，例如制造商的型号名称和电池化学成分，这有助于自动测试，以及批次或序列号以及制造日期，以便在电池故障时实现可追溯性。

　　通信大多数BMS系统在电池和充电器或测试设备之间集成了某种形式的通信。有些链接到与电池接口的其他系统，以监控其状况或历史记录。还需要通信接口，以允许用户访问电池以修改BMS控制参数或进行诊断和测试。

　　以下示例说明了BMS在实际中的三种截然不同的应用。

　　智能电池

　　可充电镍镉和镍氢电池（如电动工具中使用的电池）的寿命可以通过使用智能充电系统来延长，该系统有助于电池和充电器之间的通信。电池提供有关其规格、当前状况和使用历史的信息，充电器使用这些信息来确定最佳充电曲线，或者由使用电池的应用来控制其使用情况。

　　充电器/电池组合的主要目标是允许采用更广泛的保护电路，防止电池过度充电或损坏，从而延长其使用寿命。充电控制可以在电池或充电器中。应用/电池组合的目的是防止过载并节省电池。与充电器组合类似，放电控制可以在应用中或电池中。

　　虽然已经开发出一些包含智能的特殊电池，但智能更有可能在电池组中实现。

　　系统工作原理如下：

　　智能电池或智能电池提供传感器的输出，这些传感器提供电池内电压、电流和温度的实际状态以及充电状态。它还可以提供报警功能，指示超出公差条件。

　　智能电池还包含一个存储芯片，该芯片由制造商编程，其中包含有关电池规格的信息，例如：-

　　制造数据（名称、日期、序列号等）

　　细胞化学

　　电池容量

　　机械外形代码

　　电压上限和下限

　　最大电流限制

　　温度限制

　　一旦电池投入使用，内存也可能记录：-

　　电池充电和放电的次数。

　　已用时间

　　电池的内部阻抗

　　它所承受的温度曲线

　　任何强制冷却回路的运行

　　超出限制的任何情况。

　　该系统还需要可能位于电池或充电器或两者中的设备，这些设备可以根据一组规则中断或修改充电。类似地，电池放电可以通过应用中的电池或需求管理电路来控制。

　　智能电池还需要一个可以与之交谈的智能充电器和可以说的语言。

　　充电器被编程为响应来自电池的输入，以优化充电曲线，以最大速率充电，直到达到预设温度，然后减慢或停止充电和/或打开冷却风扇，以免超过温度限制，从而避免对电池造成永久性损坏。如果电池内部阻抗恶化表明需要修复，则还可以对充电器进行编程，通过对其进行几次深度充电，放电循环来改造电池。由于电池包含有关其规格的信息，充电器可以读取这些信息，因此可以构建通用充电器，只要它们符合商定的消息协议，就可以自动使充电配置文件适应一系列电池化学成分和容量。

　　需要一个单独的通信通道来促进电池和充电器之间的交互。用于简单应用的一个例子是系统管理总线（SMBus），它构成了智能电池系统的一部分，主要用于低功耗应用。符合SBS标准的电池称为智能电池。然而，智能电池不仅限于SMS方案，许多制造商已经实施了自己的专有方案，这些方案可能更简单或更复杂，具体取决于应用的要求。

　　据称，使用这种技术可将电池寿命延长 50%。

　　自动控制系统

　　这是自动控制系统的一个例子，其中电池向充电器提供有关其实际状况的信息，充电器将实际状况与所需条件进行比较，并生成错误信号，该信号用于启动控制动作以使实际状况符合所需条件。控制信号构成反馈回路的一部分，反馈回路提供自动补偿，使电池保持在所需的工作参数内。它不需要任何用户干预。某种形式的自动控制系统是所有BMS的重要组成部分

　　电池监控

　　除了与充电器通信外，智能电池还可以与用户或电池可能所属的其他系统通信。它提供的信号可用于打开警告灯或通知用户电池的状况以及剩余电量。

　　监控电池状况是所有电池管理系统的重要组成部分。在以下两个示例中的第一个示例中，控制操作是手动的，-发电厂维护工程师修复任何缺陷。在第二个示例中，电池是自动控制系统的一部分，该系统由几个相互连接的反馈回路组成，控制电池本身及其作为整个车辆能量管理系统的一部分的作用。

　　电厂电池管理系统

　　备用和应急电源安装的电池管理要求完全不同。电池可能长时间处于非活动状态，不时通过涓流充电，或者像在电信装置中一样，它们可能会保持浮动充电以始终保持充满电。就其性质而言，此类装置必须随时可用。管理此类安装的基本职责是了解电池的状态，以及是否可以依靠它来支持停电期间的负载。为此，了解电池的SOH和SOC至关重要。在铅酸电池的情况下，单个电池的SOC可以通过使用比重计测量电池中电解质的比重来确定。传统上，确定SOH的唯一方法是放电测试，即通过完全放电电池并测量其输出。这样的测试非常不方便。对于大型安装，电池放电可能需要八个小时，再充电需要三天。在此期间，除非提供备用电池，否则安装将没有应急电源。

　　测量电池SOH的现代方法是 阻抗测试或电导测试

。已经发现，细胞的阻抗与SOC呈负相关，而作为阻抗倒数的电导与细胞的SOH有直接相关性。这两种测试都可以在不对电池放电的情况下进行，但更好的是，监测设备可以保持在原位，提供永久的在线测量。这使工厂工程师能够对电池状况进行最新评估，以便检测电池性能的任何恶化，并计划适当的维护措施。

　　汽车电池管理系统

　　汽车电池管理比前两个示例要求高得多。它必须与许多其他车载系统接口，它必须在快速变化的充电和放电条件下实时工作

　　当车辆加速和制动时，它必须在恶劣和不受控制的环境中工作。此示例描述了一个复杂的系统，以说明可能的功能，但并非所有应用程序都需要此处显示的所有功能。

　　适用于混合动力电动汽车的BMS的功能如下：

　　监测组成电池的单个电池的状况

　　将所有电池保持在操作范围内

　　保护细胞免受超出公差条件的影响

　　在出现不受控制的情况、通信丢失或滥用的情况下提供“故障安全”机制

　　紧急情况下隔离电池

　　补偿电池链中电池参数的任何不平衡

　　设置电池工作点，以允许在不对电池过度充电的情况下吸收再生制动电荷。

　　提供有关电池充电状态 （SOC） 的信息。此功能通常称为“燃油表”或“燃气表” “

　　提供有关电池健康状态 （SOH） 的信息。该测量值指示废旧电池相对于新电池的状况。

　　为驾驶员显示器和警报提供信息

　　预测电池剩余电量的可能续航里程（只有电动汽车需要这样做）

　　接受并实施来自相关车辆系统的控制指令

　　为电池充电提供最佳充电算法

　　提供预充电以允许在接通前进行负载阻抗测试，并提供两级充电以限制浪涌电流

　　提供为单个电池充电的访问方式

　　应对车辆运行模式的变化

　　记录电池使用情况和滥用情况。（超出公差条件的频率、幅度和持续时间）称为日志功能

　　在电池发生故障的情况下紧急“跛行回家模式”。

　　因此，在实际系统中，BMS可以包含更多的车辆功能，而不仅仅是管理电池。它可以确定车辆所需的运行模式，无论是加速、制动、怠速还是停止，并实施相关的电力管理动作。

　　细胞保护

　　电池管理系统的主要功能之一是提供必要的监测和控制，以保护电池免受超出公差的环境或操作条件的影响。由于恶劣的工作环境，这在汽车应用中尤为重要。除了单个电池保护外，汽车系统还必须通过隔离电池和解决故障原因来响应外部故障条件。例如，如果电池过热，可以打开冷却风扇。如果过热变得过热，则可以断开电池连接。

　　保护方法在保护部分中详细讨论。

　　电池充电状态 （SOC）

　　确定电池的充电状态（SOC）是BMS的第二个主要功能。SOC

不仅用于提供电量计指示。BMS监控并计算电池中每个电池的SOC，以检查所有电池中的均匀充电，以验证单个电池不会过应力。

　　SOC 指示还用于确定充电和放电周期的结束时间。过度充电和过度放电是电池故障的两个主要原因，BMS 必须将电池保持在所需的 DOD

操作限制内。

　　混合动力汽车电池既需要用于再生制动的高功率充电能力，也需要用于发射辅助或助推的高功率放电能力。出于这个原因，它们的电池必须保持在可以放电所需功率的SOC，但仍有足够的余量来接受必要的再生功率，而不会冒电池过度充电的风险。为HEV电池充满电以平衡电池（见下文）会降低再生制动的充电接受能力，从而降低制动效率。设置下限是为了优化燃油经济性，并防止过度放电，从而缩短电池寿命。因此，HEV需要准确的SOC信息，以保持电池在所需的安全范围内运行。

　　混合动力汽车电池工作范围

　　

　　电池管理系统 （BMS）

　　裸金属服务器范围和故障后果

　　下图显示了可能的电池故障机制、后果以及电池管理系统应采取的必要措施

　　细胞故障、后果和保护机制

　　

　　BMS必须在所有这些条件下保护电池和用户

　　多级安全系统

　　BMS是多级安全系统的一部分，具有以下目标和保障措施

　　本质安全型细胞化学

　　电池技术设计审核

　　电池片供应商和生产审核

　　工作人员的技术能力

　　过程控制（已安装和工作）

　　电池级（内部）安全装置

　　电路中断装置 （CID） 如果超过内部压力限制，则切断电路

　　关闭分离器

　　压力排气阀

　　外部电路器件

　　PTC 电阻器（仅限低功耗应用）

　　熔断 器

　　电池和电池隔离。电气和机械分离（接触器和物理分离），以防止事件传播

　　裸金属服务器软件

　　监测与控制行动相结合的所有关键指标。（冷却、电源断开、负载管理）

　　控制操作或在超出限制的情况下关闭

　　BMS 硬件 - 故障安全备份

　　在软件故障的情况下关闭硬件。设置为稍高的限制

　　低压 BMS 电源故障时的电池关闭

　　遏制

　　坚固的外部容器，通风可控

　　细胞之间的物理屏障

　　裸金属服务器实施

　　下图是主要 BMS

功能的概念表示。它显示了三个主要的BMS构建模块，电池监控单元（BMU），电池控制单元（BCU）和CAN总线车辆通信网络，以及它们如何与其他车辆能量管理系统接口。其他配置可以通过嵌入在电池单元到电池互连中的分布式BMS来实现。

　　在实践中，BMS也可以耦合到通过CAN总线（见下文）与BMS通信的其他车辆系统，例如热管理系统或禁用电池的防盗设备。可能还需要系统监控和编程，以及使用

RS232 串行总线进行数据记录。

　　

　　电池监控单元

　　电池监控单元是基于微处理器的单元，包含三个功能或子模块。这些子模块不一定是单独的物理单元，但为清楚起见，此处单独显示。

　　电池型号

　　电池模型在软件算法中表征电池响应各种外部和内部条件的行为。然后，模型可以使用这些输入在任何时刻估计电池的状态。

　　电池模型的一个基本功能是计算上述功能的电池SOC。

　　SOC基本上是通过对随时间变化的电流进行积分来确定的，修改以考虑影响电池性能的许多因素，然后从充满电的电池的已知容量中减去结果。这在 SOC

一节中有详细说明。

　　电池模型可用于记录过去的历史记录以进行维护，或预测车辆在电池需要充电之前可以行驶多少英里。剩余续航里程根据最近的驾驶或使用模式计算得出，该范围是根据当前的

SOC 和消耗的能源以及自上次充电以来覆盖的里程（或者根据以前的长期平均值）计算得出的。行驶距离来自CAN总线上其他传感器提供的数据（见下文）。

　　对于唯一电源是电池的电动汽车来说，续航里程计算的准确性更为重要。如果电池完全放电，HEV 和自行车有另一种“带你回家”的电源。

　　当单个电池发生故障时失去所有功率的问题可以通过增加四个更昂贵的接触器来缓解，这些接触器有效地将电池分成两个单独的单元。如果电池发生故障，接触器可以隔离并旁路包含故障电池的一半电池，允许车辆使用另一半（良好）电池以一半的电量跛行回家。

　　模型的输出也使用CAN总线发送到车辆显示器。

　　多路复用

　　为了降低成本，电池监控单元采用多路复用架构，而不是并行监控每个电池，该架构将每个电池（输入对）的电压依次切换到单个模拟或数字输出线（见下文）。通过减少模拟控制和/或数字采样电路的数量，从而将元件数量降至最低，可以实现成本节约。缺点是一次只能监测一个电池电压。需要高速切换机制将输出线切换到每个单元，以便可以按顺序监视所有单元。

　　

　　BMU还提供用于估算电池SOH的输入，但是由于SOH在电池的使用寿命内仅逐渐变化，因此需要较少的采样。根据用于确定SOH的方法，采样间隔可能低至每天一次。例如，阻抗测量甚至可以在车辆不使用时进行。当然，循环计数只能在车辆运行时进行。

　　需求或个性模块

　　需求模块在某些方面与电池模型相似，因为它包含一个参考模型，其中包含与电池模型监控的各种参数相关的所有公差和限制。Demand

模块还从通信总线（例如来自 BMS

的命令）接收再生制动充电的指令，或者来自其他车辆传感器（如安全装置）或直接从车辆操作员获取指令。该装置还用于设置和监控车辆运行模式参数。

　　该模块有时被称为个性模块，因为包括对系统进行编程的规定，所有可能特定于客户应用的自定义要求。例如，电池制造商将建议一个温度限制，出于安全原因，必须在该温度限制下自动断开电池。但是，汽车制造商可以设置两个下限，一个可以打开强制冷却，另一个可以点亮驾驶员仪表板上的警告灯。

　　对于HEV应用，个性模块通过CAN总线与发动机电子控制单元（ECU）接口。该模块中规定用于设置所需的系统SOC工作范围以及用于控制电驱动和内燃机之间的功率共享的参数。

　　Demand 模块还包含一个存储块，用于保存所有参考数据并累积用于监控电池 SOH

的历史数据。显示SOH或打开警告灯的数据可以通过CAN总线提供给车辆仪表模块。

　　需求模块的输出为设置电池的工作条件或触发保护电路的动作提供了参考点。

　　通过标准 RS 232 或 RS485 串行总线提供对 BMS 的测试访问，用于监控或设置系统参数以及下载电池历史记录。

　　决策逻辑模块

　　决策逻辑模块将电池模型中测量或计算的电池参数的状态与需求模块的所需或参考结果进行比较。然后，逻辑电路提供错误消息以启动电池保护动作或用于各种BMS反馈回路，从而将系统驱动到所需的工作点或在不安全条件下隔离电池。这些错误消息为电池控制单元提供输入信号。

　　系统通信

　　BMS需要一个通信通道，用于在其各种内部功能电路模块之间传递信号。它还必须与多个外部车辆系统连接，以监控或控制远程传感器、执行器、显示器、安全联锁和其他功能。

　　因此，汽车BMS使用为此目的设计的CAN总线作为其主要通信通道。

　　该系统还应包括标准汽车车载诊断（OBD）的规定，并向服务工程师提供诊断故障代码（DTC）。这种连接对于识别电池故障的任何外部原因非常重要。

　　电池控制单元

　　电池控制单元包含所有 BMS 电力电子电路。它从电池监控单元获取控制信号，以控制电池充电过程并将电源连接切换到单个电池。

　　该单元的一些可能功能是：

　　在充电过程中控制充电器输出的电压和电流曲线。

　　为单个电池提供充电，以平衡电池链中所有电池的充电。

　　在故障或报警条件下隔离电池

　　根据需要将再生制动充电切换到电池中

　　电池充满电时倾倒过多的再生制动电荷

　　应对车辆运行模式的变化

　　为了提供这些功能，电池中的每个电池可能需要能够切换 200 安培或更高的昂贵大电流开关，以提供必要的互连。

　　二进制控制和渐进控制

　　在最简单的形式中，BMS为故障或过载等超出公差条件提供“二进制”ON/OFF响应，仅通过打开主接触器完全隔离电池。然而，在过载的情况下，可以通过利用CAN总线来减少对电池的需求，从而提供渐进式或可变控制。

　　电池平衡

　　这是汽车BMS的另一个基本功能。如上所述，需要补偿单个电池的弱点，这些弱点最终可能导致整个电池的故障。单元平衡的原因及其实现方式在“单元平衡”页面上进行了说明。

　　跛行回家模式

　　尽管电池设计为3年或更长时间无故障，但电池始终有可能因单节电池故障而失效。如果电池开路，电池基本上没电了。但是，BMS旨在监控每个单元的状态，因此将自动识别故障单元的位置。将电池串联分成两部分并不困难，每部分都可以通过断开包含故障电池的电池部分并在其位置切换导电链路来独立绕过。这将允许车辆使用电池的良好部分以半功率到达家中或最近的避难所。除了链路外，系统还需要两个更昂贵的高功率接触器来实现此功能，但是当替代方案可能是高速公路上昂贵且危险的故障时，这种投资可能是合理的。

　　系统增强功能

　　汽车BMS可能还需要提供各种功能，这些功能不一定是管理电池所必需的。这些可能包括从车队总部远程监控电池，这也可能包括车辆的GPS位置。因此，如果车辆电量不足或偏离充电站太远，则可以警告驾驶员。

　　幸运的是，并非所有BMS应用程序都像这个一样复杂。

　　实用的BMS实施

　　实现电池管理系统的方法有很多种，下面显示了由 256 节磷酸铁锂电池组成的 80 伏电池的两个不同示例。

　　主从

　　主站和从站，星形拓扑结构，将单元组织成块或模块，每个模块由一个从站管理。在所示示例中，16 X 3.2 伏电池排列在模块中，每个模块的输出电压为

51.2 伏，但其他模块尺寸和电压也是可能的。

　　奴隶——每个电池都有一个温度传感器以及用于测量电压的连接，所有这些都连接到从站，从站监控电池的状况并实现电池平衡。

　　师父——多个从站可以连接到主站，主站监控电流并将其随时间进行积分以计算净库仑流量，并使用来自从站的电压和温度数据进行修改以计算电池SOC。主设备控制主电池隔离接触器启动电池保护，以响应来自主电流传感器的数据或来自从站的电压和温度数据。主站还提供系统通信。

　　BMS 主站和从站（星形拓扑）

　　

　　这种配置的优点是不需要将印刷电路板连接到单个电池，并且可以通过添加更多模块来容纳高压电池，并且由于主电池电流不通过从机，因此也可用于大电流电池。信号处理在主站和从站之间共享，简化了信息处理负载的管理。内部通信通过

I2C 总线进行。

　　缺点是传感器和从站之间的通信是模拟形式，因此容易受到噪声的影响，并且需要大量的传感器线，每个单元四根。还需要从机和主机之间的光隔离连接，因为从机上的电压会逐渐升高，直至电池全电压，因为连接是从电池链的上游获取的。

　　与外界的通信（上图和下图中的COMS）通常通过RS232或更可能的USB串行连接进行。

　　BMS菊花链

　　菊花链，环形拓扑，使用连接到每个电池的小型简单从属印刷电路板来容纳带有A至D转换器的电压和温度传感器，以及一个电流旁路开关，通过电荷分流实现电池平衡，以及具有内置电容隔离的通信收发器，用于以数字形式接收和传输数据。从机从其正在监控的单元获取电源，单个RS

485三线数据总线将所有从站的节点连接到主站，主站依次轮询每个节点并请求更新其单元条件。除了A到D转换外，从站不执行任何信号处理，因为这都是由主机执行的，以及上面示例中的所有监控，保护和通信功能。

　　BMS 菊花链（环形拓扑）

　　

　　这种拓扑结构的主要优点是其更简单的设计和构造，以及在汽车环境中具有更高可靠性的潜力。

　　缺点是需要大量的迷你从站印刷电路板，并且难以将它们安装在某些电池类型上。此外，主站具有更高的处理负载。