精准监测电池单体状态，CMU在BMS中的两种发展趋势

电子发烧友网报道（文/黄山明）储能系统中，BMS是其中核心组件之一，主要用于智能化管理及维护各电池单元，实时监测电池SOC、SOH 等运行状态，防止电池本体或系统出现安全风险，助力储能电池的安全、高效使用。
 
而CMU（Cell Monitoring Unit，单体监控单元）是BMS的关键组成部分，主要作用是监测电池的电压、电流、温度等基本参数，并将这些数据提供给BMU，只有这样，BMS才能实现对电池状态的判断，继而对电池管理提供决策依据。
 
CMU在BMS中的作用
 
通常而言，CMU主要负责电池状态监控、均衡控制、充放电管理等。而其工作原理包括电芯电压和温度信号监控、系统继电器控制、告警信号输出等。
 
同时，CMU还负责采集储能系统环境监测系统信息，如消防系统、温控系统、温湿度传感器水浸传感器等，然后制定合理的温控策略，提升电池温度一致性，实现储能系统全方位的消防预警、保护与联动，提供高可靠的消防安全保证，做到对安全问题的有效防范、早发现、有效隔离和保护。
 
通常，CMU会根据BMS的指令，来控制电池系统的主要继电器，如主开关、预充继电器等，用以确保安全地接通或断开电池与外部电路的连接。当电池状态异常，如电压过高/过低、温度超标时，CMU会触发告警信号，通知操作人员或外部系统采取措施。
 
在结构上，CMU通常会需要一个MCU来控制模拟前端对电流、电压、温度等信号的采集，在通过隔离接口传给BMU，BMU汇总串联电池组中所有电芯的各项状态信息，实现SOC估算、SOH估算和热管理控制等功能。
 
并且随着储能系统开始朝着组串式和高压级联方案，CMU放置的位置和结构也将发生一定的改变。比如在组串式储能系统中，电池组通常按照串联的方式连接，形成一个或多个电池串。每个电池串可以包含多个电池单元或电池模块。
 
CMU通常位于每个电池串的附近，直接连接到电池单元或模块上，每个CMU负责监控其所在电池串中的所有电池单元。
 
而在高压级联储能系统中，电池组被设计成多个独立的低压单元，这些单元通过级联的方式组合起来，以达到所需的高压输出。CMU位于每个低压单元内部或附近，负责监控该单元内的所有电池单元，也可以集成在低压单元的BMS模块中。
 
在这种架构中，由于每个低压单元相对较小，CMU的通道数量可能较少。并且CMU可能需要额外的功能，比如与DC-DC转换器或逆变器的接口。
 
整体来看，随着对储能系统性能要求的提高，CMU在电池均衡、热管理以及与PCS、EMS的通信中扮演的角色可能会变得更加重要。它们不仅需要提供准确的电池状态信息，还需要能够快速响应来自上层管理系统的控制指令，以实现整个储能系统的优化运行。
 
CMU的两种发展趋势
 
在CMU的结构中，通常会包含MCU、AFE、温度传感器、电流检测放大器、隔离通信接口、PMIC、保护电路、存储器、时钟电路、辅助传感器，但CMU中的核心一般还是围绕MCU和AFE芯片构建的，这些芯片负责监测电池单元的状态，并通过适当的接口与BMS的其他部分通信。
 
比如大联大世平近期推出的一款CMU，主要基于NXP S32K118和MC33774芯片为核心所打造。S32K118作为NXP专为通用汽车和高可靠性工业应用设计的MCU，已通过了AEC-Q100认证，采用Arm M0+内核，主频为48MHz，并具有25KB SRAM和256KB Flash。
 
AFE芯片则采用NXP MC33774，该芯片支持4-18串电池监测，能够进行高精度的电压、温度和电流测量，电芯电压检测精度可达±0.8mV，测量误差小于2mV。
 
可以看到，以MCU和AFE芯片为核心打造的CMU可以确保对电池状态的准确监测，还提供了高级别的控制和保护功能。MCU是CMU的大脑，负责接收和处理来自AFE的数据，执行算法，并做出决策，如启动或停止均衡过程、调整充电/放电策略等。甚至可以实现过压、欠压、过温等保护功能，确保电池在安全范围内运行。
 
而AFE芯片能够高精度地监测电池单元的电压和电流，这对于准确评估电池状态至关重要。AFE通常集成了温度传感器接口，可以监测电池单元的温度。并且AFE还支持被动或主动均衡功能，帮助平衡电池单元间的电压差，延长电池寿命，并且可以集成隔离功能，减少电磁干扰，提高系统的整体安全性。
 
显然，MCU和AFE共同协作，MCU负责数据处理、控制策略制定和通信，而AFE则专注于高精度的数据采集和电池单元的直接监控。
 
但也有另一种方案可以无须MCU，比如TI曾推出过一款解决方案无需MCU即可实现CMU中的数据监测，使得系统设计更加简化。并通过菊花链通讯系统替换CAN总线，从而实现CMU之间的通信。由于菊花链本身自带隔离功能，能够进一步降低成本，提升可靠性。
 
此外，使用FPGA或ASIC可以提供另一种可行的替代方案，由于其灵活性和可重配置性，FPGA与ASIC能够直接实现许多原本需要MCU处理的功能，如数据采集、处理、充放电控制逻辑以及通信协议的实现。
 
虽然MCU在储能BMS系统中发挥着极其重要的作用，但通过采用先进的集成电路、可编程逻辑设备或其他电子组件，可以在不直接使用MCU的情况下构建CMU模块。
 
总结
 
CMU通过精确监测电池的电压、电流、温度等关键参数，为BMS提供了实时数据支持，确保电池组的安全、稳定和高效运行，是BMS中不可或缺的重要一环。未来CMU有望采用更先进的传感器技术、人工智能算法进行电池状态的深度学习和预测、以及与智能电网和可再生能源系统的无缝集成，实现更加灵活和高效的能源管理，并向着采用MCU与非MCU的方向迈进。