BMS系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

引言：BMS（Battery Management System）：即電池管理系統(tǒng)，基于鋰離子電芯的理化特性，電池需要借助精密的電子控制系統(tǒng)BMS來應(yīng)對各種突發(fā)狀況，BMS需要盡可能提高續(xù)航里程、降低成本和增強(qiáng)安全性。

1.BMS導(dǎo)論

一般來說24V以上的儲能產(chǎn)品才具有BMS的概念，而車載BMS主要負(fù)責(zé)對新能源汽車的整個(gè)電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、管理和均衡，保護(hù)電池免受損壞，通過智能充電和放電算法延長電池壽命，預(yù)測電池剩余壽命并使電池保持正常運(yùn)行狀態(tài)，這對電池組的使用安全、壽命、性能至關(guān)重要。新能源汽車的動力電池系統(tǒng)由于充電速度與續(xù)航的需求而不斷向高容量、高總壓、大體積的方面發(fā)展，因此在插電式混動、純電動車型上主要還是采用分布式架構(gòu)的BMS，通過模塊化、分級式管理電池單元，隨著HEV（混合動力）和EV（純電動）的發(fā)展，車載BMS也在不斷進(jìn)化。

2.BMS的組成

BMS需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同的功能：電池SOC/SOH監(jiān)測，電芯狀態(tài)監(jiān)測和均衡，電池功率路徑管理，所以無論是分布式BMS還是集中式BMS，如圖1-1所示。都包含三個(gè)子模塊：多個(gè)電芯監(jiān)控單元（Cell Supervis7ion unit---CSU，從控），一個(gè)電池管理控制單元（BCU主控），也叫電池監(jiān)控控制器，一個(gè)電池開關(guān)單元（BDU），也叫電池接線盒，這三個(gè)模塊用來實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)功能。

圖1-1：典型的BMS架構(gòu)

圖1-2給出了一種環(huán)形菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓電池包BMS示例，其中BJB部分區(qū)別于 圖1-1 ，采用了智能接線盒設(shè)計(jì)。

圖1-2：環(huán)形菊花鏈拓?fù)涞母邏弘姵匕麭MS

這些子系統(tǒng)具有不同的行業(yè)名稱，如表1-1中所列：

表1-1：BMS 子系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)的常見首字母縮寫詞

在分布式BMS系統(tǒng)中，CSC負(fù)責(zé)電池組單體的電壓檢測、溫度檢測、均衡管理以及相應(yīng)的診斷，每個(gè)CSC模塊包含一個(gè)模擬前端芯片(Analog Front End，AFE）芯片。而BMC（BMU）是BMS的大腦，包含一個(gè)MCU芯片負(fù)責(zé)計(jì)算電池健康狀態(tài)（State of Heath，SOH）與荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），利用CSC和BJB測量的電池精確數(shù)據(jù)做出判斷與決定，以確保電池的安全性和提高性能，還可以協(xié)調(diào)BMS的電池均衡功能。傳統(tǒng)的BJB主要作為一個(gè)機(jī)電箱，其中設(shè)有分流器、接觸器和高溫熔斷器，是高壓電池和動力傳動系統(tǒng)之間的連接。

3.BMS的結(jié)構(gòu)

根據(jù)管理架構(gòu)分類，BMS產(chǎn)品主要有三種類型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。由于分布式管理架構(gòu)可復(fù)制性高，可應(yīng)用于多種不同的車型電池包。被動均衡管理由于成本低、復(fù)雜度和故障率低，被廣泛運(yùn)用，但主動均衡管理效率較高，均衡電流大，能量耗散少，隨著熱風(fēng)險(xiǎn)和電路復(fù)雜逐漸克服，BMS逐漸向主動均衡管理過渡。此外，集成化、通用化、智能化也是BMS未來技術(shù)發(fā)展趨勢。根據(jù)管理架構(gòu)分類，BMS產(chǎn)品主要有三種類型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。

集中式

集中式就是將整個(gè)BMS設(shè)計(jì)在一個(gè)PCBA內(nèi)，引出導(dǎo)線連接接到各個(gè)電芯上，如圖1-3所示，如果是36串電池，就需要兩枚支持18串的電池管理芯片，串?dāng)?shù)越多，所需芯片也越多，由于功能集成在一起，接線會更加復(fù)雜和冗長。

圖1-3：集中式BMS

集中式的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，首先是結(jié)構(gòu)緊湊，往往就是一個(gè)盒子，成本也有優(yōu)勢，維護(hù)比較簡單，往往整體更換就可以。缺點(diǎn)就是擴(kuò)展性差，一個(gè)產(chǎn)品定型了想要擴(kuò)展就得重新設(shè)計(jì)，其次就是安全隱患，因?yàn)榫€束過多過長，整體損耗也會比較大，監(jiān)控采集精度也會下降，帶來一系列安全隱患問題。

半集中式（ 模塊式 ）

圖1-4：半集中--->模塊式BMS

模塊式的BMS被分成很多相同的子模塊，每個(gè)BMS板的導(dǎo)線連接整個(gè)電池內(nèi)部不同的部位，監(jiān)測某一塊區(qū)域，雖然是功能相同的模塊，但是其實(shí)也會有一個(gè)模塊被分配作為主模塊，用來管理調(diào)度整個(gè)電池包并且負(fù)責(zé)跟外界通訊，其他的從BMS就通過通訊總線來跟主BMS進(jìn)行通訊，但是他們之間的功能是一樣的，它的優(yōu)勢在于：

1：因?yàn)樗喈?dāng)于將集中的BMS小型化，多個(gè)級聯(lián)，所以擁有集中式的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)方便，成本較低。

2：由于單個(gè)BMS模塊的規(guī)模較小，所以子模塊到單體電池的導(dǎo)線就會相對較短，可以離電池更近，這樣就避免了過長的導(dǎo)線帶來的隱患和誤差。

3：易于擴(kuò)展，增加更多的子模塊來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

缺點(diǎn)在于需要增加額外的導(dǎo)線，相比于集中式，每個(gè)模塊需要跟電池組連接，每個(gè)模塊之間也需要導(dǎo)線連接。其次就是成本較高，主要的原因是每個(gè)模塊的功能是一樣的，但是并不是所有的功能都會用到，這就造成了浪費(fèi)，尤其是從屬模塊，其實(shí)用到的功能并不多，這種結(jié)構(gòu)不是特別合理，于是就有了后面的主從式。

半集中式（主從式）

如圖1-5所示，主從式BMS把模塊按照主從功能不同分開，將從模塊用不到的功能去掉，減少成本。主BMS負(fù)責(zé)的功能相對較多，有計(jì)算，預(yù)測，決策，通信等，從單元基本上就是只負(fù)責(zé)測量。這樣可以說是繼承了大部分模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還減少了擴(kuò)展的成本。

圖1-5：半集中--->主從式BMS

分布式

在集中式和半集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各種電子器件都不會安裝在單體電芯上，基本上都是通過引線過去測量。但在分布式系統(tǒng)中，如圖1-6所示，CSU測量單元和其他的電子設(shè)備直接安裝到和單體電芯一體的電路板中，這樣的好處是，與前邊幾個(gè)相比，BMS與單體電芯之間基本沒有引線，然后和主從式相似的是它也會有一個(gè)控制器來負(fù)責(zé)運(yùn)算，預(yù)測，決策等工作。模塊之間基于總線進(jìn)行通訊，在汽車上一般用CAN總線。

圖1-6：分布式BMS

分布式的優(yōu)勢有很多：首先就是擁有極高的擴(kuò)展性，可以精細(xì)到單體電芯的擴(kuò)展。其次是連接可靠性高，基本沒有什么過長的線纜，電芯和測量電路結(jié)合緊密，也減小了干擾和誤差，安全性也很高，同時(shí)也易于維護(hù)，局部損壞只需要更換一個(gè)很小的單元。表1-2總結(jié)了三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1-2：三種BMS樣式對比

4.BMS和電池的理化性質(zhì)

鋰離子指一系列和Li+的化學(xué)物質(zhì)，但它最終構(gòu)成基于金屬氧化物陰極和石墨陽極充電和放電反應(yīng)的電池，兩種較為常見的鋰離子化學(xué)物質(zhì)是鎳錳鈷 (NMC---三元) 和磷酸鐵鋰 (LFP)。

NMC是主要的化學(xué)物質(zhì)，它具有出色的能量密度，對續(xù)航里程有直接影響，但是鎳和鈷很稀有，難以從地球上提取。雖然LFP相比NMC能量密度較低，但不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素，因此具有顯著的成本優(yōu)勢。

LFP還具有較長的生命周期，因此可延長電池的使用壽命。與鎳和鈷電池相比，LFP電池也更穩(wěn)定，更不容易起火，需要的保護(hù)更少。因此LFP和NMC基于各自的優(yōu)點(diǎn)，已成為長續(xù)航汽車領(lǐng)域的兩駕馬車。

因?yàn)長FP具有非常平緩的放電曲線，所以需要十分精確的電池監(jiān)測技術(shù)。與此同時(shí)，成本更低的鈉離子電芯未來會與LFP競爭。與使用液態(tài)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池不同，固態(tài)電池使用由玻璃、陶瓷、固態(tài)聚合物或硫化物組成的固體電解液，鑒于固態(tài)電池固有的性能優(yōu)勢：更高的能量密度、更高的可靠性和抗老化特性、更快的充電速度以及更高的安全性，多家汽車制造商正在開展固態(tài)電池研究。液態(tài)電解液在高溫下會變得易燃，但固態(tài)電解液具有更高的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而降低火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。