BMS系統的組成和結構

引言：BMS（Battery Management System）：即電池管理系統，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BMS來(lái)應對各種突發(fā)狀況，BMS需要盡可能提高續航里程、降低成本和增強安全性。

1.BMS導論

一般來(lái)說(shuō)24V以上的儲能產(chǎn)品才具有BMS的概念，而車(chē)載BMS主要負責對新能源汽車(chē)的整個(gè)電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行監測、管理和均衡，保護電池免受損壞，通過(guò)智能充電和放電算法延長(cháng)電池壽命，預測電池剩余壽命并使電池保持正常運行狀態(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(chē)的動(dòng)力電池系統由于充電速度與續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(dòng)、純電動(dòng)車(chē)型上主要還是采用分布式架構的BMS，通過(guò)模塊化、分級式管理電池單元，隨著(zhù)HEV（混合動(dòng)力）和EV（純電動(dòng)）的發(fā)展，車(chē)載BMS也在不斷進(jìn)化。

2.BMS的組成

BMS需要實(shí)現3個(gè)不同的功能：電池SOC/SOH監測，電芯狀態(tài)監測和均衡，電池功率路徑管理，所以無(wú)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），也叫電池監控控制器，一個(gè)電池開(kāi)關(guān)單元（BDU），也叫電池接線(xiàn)盒，這三個(gè)模塊用來(lái)實(shí)現上述三個(gè)功能。

圖1-1：典型的BMS架構

圖1-2給出了一種環(huán)形菊花鏈拓撲結構的高壓電池包BMS示例，其中BJB部分區別于 圖1-1 ，采用了智能接線(xiàn)盒設計。

圖1-2：環(huán)形菊花鏈拓撲的高壓電池包BMS

這些子系統具有不同的行業(yè)名稱(chēng)，如表1-1中所列：

表1-1：BMS 子系統在業(yè)內的常見(jiàn)首字母縮寫(xiě)詞

在分布式BMS系統中，CSC負責電池組單體的電壓檢測、溫度檢測、均衡管理以及相應的診斷，每個(gè)CSC模塊包含一個(gè)模擬前端芯片(Analog Front End，AFE）芯片。而B(niǎo)MC（BMU）是BMS的大腦，包含一個(gè)MCU芯片負責計算電池健康狀態(tài)（State of Heath，SOH）與荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），利用CSC和BJB測量的電池精確數據做出判斷與決定，以確保電池的安全性和提高性能，還可以協(xié)調BMS的電池均衡功能。傳統的BJB主要作為一個(gè)機電箱，其中設有分流器、接觸器和高溫熔斷器，是高壓電池和動(dòng)力傳動(dòng)系統之間的連接。

3.BMS的結構

根據管理架構分類(lèi)，BMS產(chǎn)品主要有三種類(lèi)型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。由于分布式管理架構可復制性高，可應用于多種不同的車(chē)型電池包。被動(dòng)均衡管理由于成本低、復雜度和故障率低，被廣泛運用，但主動(dòng)均衡管理效率較高，均衡電流大，能量耗散少，隨著(zhù)熱風(fēng)險和電路復雜逐漸克服，BMS逐漸向主動(dòng)均衡管理過(guò)渡。此外，集成化、通用化、智能化也是BMS未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢。根據管理架構分類(lèi)，BMS產(chǎn)品主要有三種類(lèi)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設計在一個(gè)PCBA內，引出導線(xiàn)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，串數越多，所需芯片也越多，由于功能集成在一起，接線(xiàn)會(huì )更加復雜和冗長(cháng)。

圖1-3：集中式BMS

集中式的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，首先是結構緊湊，往往就是一個(gè)盒子，成本也有優(yōu)勢，維護比較簡(jiǎn)單，往往整體更換就可以。缺點(diǎn)就是擴展性差，一個(gè)產(chǎn)品定型了想要擴展就得重新設計，其次就是安全隱患，因為線(xiàn)束過(guò)多過(guò)長(cháng)，整體損耗也會(huì )比較大，監控采集精度也會(huì )下降，帶來(lái)一系列安全隱患問(wèn)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板的導線(xiàn)連接整個(gè)電池內部不同的部位，監測某一塊區域，雖然是功能相同的模塊，但是其實(shí)也會(huì )有一個(gè)模塊被分配作為主模塊，用來(lái)管理調度整個(gè)電池包并且負責跟外界通訊，其他的從BMS就通過(guò)通訊總線(xiàn)來(lái)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：因為它相當于將集中的BMS小型化，多個(gè)級聯(lián)，所以擁有集中式的大多數優(yōu)點(diǎn)，維護方便，成本較低。

2：由于單個(gè)BMS模塊的規模較小，所以子模塊到單體電池的導線(xiàn)就會(huì )相對較短，可以離電池更近，這樣就避免了過(guò)長(cháng)的導線(xiàn)帶來(lái)的隱患和誤差。

3：易于擴展，增加更多的子模塊來(lái)實(shí)現擴展。

缺點(diǎn)在于需要增加額外的導線(xiàn)，相比于集中式，每個(gè)模塊需要跟電池組連接，每個(gè)模塊之間也需要導線(xiàn)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(huì )用到，這就造成了浪費，尤其是從屬模塊，其實(shí)用到的功能并不多，這種結構不是特別合理，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(kāi)，將從模塊用不到的功能去掉，減少成本。主BMS負責的功能相對較多，有計算，預測，決策，通信等，從單元基本上就是只負責測量。這樣可以說(shuō)是繼承了大部分模塊式結構的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還減少了擴展的成本。

圖1-5：半集中--->主從式BMS

分布式

在集中式和半集中式拓撲結構中，各種電子器件都不會(huì )安裝在單體電芯上，基本上都是通過(guò)引線(xiàn)過(guò)去測量。但在分布式系統中，如圖1-6所示，CSU測量單元和其他的電子設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(méi)有引線(xiàn)，然后和主從式相似的是它也會(huì )有一個(gè)控制器來(lái)負責運算，預測，決策等工作。模塊之間基于總線(xiàn)進(jìn)行通訊，在汽車(chē)上一般用CAN總線(xiàn)。

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展性，可以精細到單體電芯的擴展。其次是連接可靠性高，基本沒(méi)有什么過(guò)長(cháng)的線(xiàn)纜，電芯和測量電路結合緊密，也減小了干擾和誤差，安全性也很高，同時(shí)也易于維護，局部損壞只需要更換一個(gè)很小的單元。表1-2總結了三種結構的優(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)，但它最終構成基于金屬氧化物陰極和石墨陽(yáng)極充電和放電反應的電池，兩種較為常見(jiàn)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(zhù)的成本優(yōu)勢。

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

因為L(cháng)FP具有非常平緩的放電曲線(xiàn)，所以需要十分精確的電池監測技術(shù)。與此同時(shí)，成本更低的鈉離子電芯未來(lái)會(huì )與LFP競爭。與使用液態(tài)電解液的傳統鋰離子電池不同，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(chē)制造商正在開(kāi)展固態(tài)電池研究。液態(tài)電解液在高溫下會(huì )變得易燃，但固態(tài)電解液具有更高的熱穩定性，進(jìn)而降低火災或爆炸的風(fēng)險。