一、什么是BMS

1.1 BMS定义

好，我们终于进入正题了，首先就是，什么是BMS。
BMS是电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）的缩写
基本上来说两个以上的单体电池组成的供电系统都需要一个BMS

经过我们上篇文章对电池的探讨，我想我们大家大概已经知道了一个BMS应该具备的基本功能。

1.2 BMS基本功能

• 电池监控
  首先是电池监控BMS需要监控电池的各种状态，包括，电压，电流，温度等，一般来说单体的和总的都需要检测，根据BMS的复杂程度不同有着不同的结构，这个后边会讲到。
• 电池保护
  我们拿到数据之后，接着就是根据数据来对电池提供必要的保护，让电池工作在一个安全的环境中，主要包括充放电过程中电压，电流的控制以及温度的管理等
• 电池状态估计
  接着就是根据以往的数据对电池的状态的一个估计，例如SOC，这个数据是没有办法直接测量的，需要通过一些其他的方法，简单的比如说利用电压的变化来表征容量，但是这种往往是不精确的，因为电池充放电的电压曲线在一定范围内几乎是平的，这就导致了很大的误差；再复杂一点的呢就是利用对电压电流按照充放电时间进行积分来求，会比前边好一点；然后还有一些用卡尔曼滤波算法来实现，这是一个很好的可以用来预测的算法，它也考虑进去了各种噪声；还有呢就是现在比较火的神经网络了，使用AI来进行管理，但是这个不知道目前有没有成熟的产品出来。
• 电池性能最大化
  我们的BMS还要通过对所有的数据分析，来指定不同的均衡策略，最终的目的就是充电的时候尽量都充满，放电的时候尽量都放完，不要存在像我们之前展示的那样极端不均衡的现象。
• 对用户或外部设备进行反馈
  最后呢，就需要的是跟外界通讯，一般来说是通过CAN总线跟我们其他的ECU进行通讯。

总体来说，BMS其实解决的是两件事，第一件事是安全，保证电池有一个良好的工作环境，而且保证雨露均沾，不让个别电池一直受苦而产生不满，主要是结果比较可怕，要么罢工要么爆炸；其次是高效，让每一个单体电池都发挥自己最大的价值，产生最高的效益。、

二、BMS的分类

接着给大家介绍一下BMS的分类，一说到分类，首先要提到的是分类标准，就是按什么来分类，这里我从两个方面给大家介绍一下。

2.1 按照功能分类

首先是按功能分类，按照功能，我们从简单到复杂一个一个来说
首先是最简单的，叫做

• 恒流恒压充电，这个甚至都不能叫做电池管理系统，一些简单的充电器就是这个策略，因为它就是提供一个恒定的电流或者是电压，很多地段的使用铅酸电池的电瓶车用的就是这种设备，但是因为铅酸电池比较皮实，一般也不会发生危险。但是我们通过之前的介绍知道，这个根本无法对电池提供任何保护，不过不搭配其他的控制策略，那么这个相当于就是将电池直接暴露在了一个不受保护的环境中，比较危险。

• 第二种是叫分流器，这个也比较简单，最简单的形式是跟电池并联一个齐纳二极管，形成一个电压钳位电路，基本上相当于是单纯的监视电压，当电压达到设定的的值的时候，二极管反向击穿，分走大部分的电流，起到保护电池的目的。但是这也存在一些问题，分流器的额定电流是有限的，当电流大于分流器的上限的时候，还是会有电流流过电池所以要么分流器足够大，要么有分流器的BMS需要跟充电器匹配，充电器配合分流器的动作动态调节电压，才可以达到更好的效果。而且好像比较少有给每一节电池并一个分流器的，分流器可能只到电池组这个级别。
  

• 第三种是检测器，所谓的检测器，就是仅具备测量功能，可以测量单体电池和整体的电压，电流，温度，预估SOC等等，将他们呈现在屏幕上或者是其他地方，
  
  这是一个监测器的示意图.大家可以看到，其实它不能作为一个完整的BMS来使用，为什么呢？因为虽然可以显示数据，但是无法防止过充过放，也不能实现均衡，但我为什么要把它列出来呢？
  因为有些情况下我们使用电池的场景是有人参与的，只要我们把人也加进这个系统里来，那它就是完整的，我们可以根据参数来执行相应的动作。

• 说完了监测器，紧接着我们就来到了监控器，有什么区别呢？其实就是在监测器上增加了控制的动作，这样就形成了一个闭环，它可以自动工作，根据监测到的数据来执行相应的动作，比如说利用继电器的动作来切断充电器或者负载。可以做到保护电池不过充过放，从而保证电池的安全。但是它的缺点是无法对单体电池之间的电量进行均衡。
  

• 接下来我们继续丰富功能，均衡器。
  
  均衡器在监控器的基础上增加了单体电池均衡的功能，可以实现主被动均衡，从而保证电池得到最优化的利用。

2.2 按照拓扑分类

拓扑结构对于BMS来说很重要，因为他会影响到系统的成本，可靠性，安装维护的便捷性以及测量预测的准确性。

2.1.1 集中式

首先是第一类，集中式，也叫一体式
集中式呢就是将整个BMS封装在一个装置内，甩出来导线接到导体电池上。
如图所示

他的优点非常明显，

• 首先是结构紧凑，往往就是一个盒子
• 然后价格也比较便宜
• 还有就是维护比较简单，往往整体更换就可以。

但是也会有不足，

• 首先就是扩展性差，一个产品定型了想要扩展就得重新设计，
• 其次呢就是安全隐患，因为线束过多过长，就会造成一系列的安全隐患问题。

2.1.2 模块式

接下来一种是模块式

他与集中式的BMS很相似，但是模块式的BMS被分成很多相同的子模块，每个封装的导线连接整个电池板内部不同的部位吗，监测某一块区域，
我们说是功能相同的模块，但是其实也会有一个模块被分配作为主模块，用来管理调度整个电池包并且负责跟外界通讯。其他的从BMS就通过通讯总线来跟主BMS进行通讯，但是他们之间的功能是一样的。
它的优势在于：

• 首先呢，因为它是相当于将集中的BMS小型化，多个级联，所以拥有集中式的大多数优势，比如说维护方便，价格便宜等等
• 其次呢，由于单个模块的规模较小，所以子模块到单体电池的导线就会相对较短，可以离电池更近，这样就避免了过长的导线带来的隐患和误差。
• 最后呢，它还易于扩展，同归哦增加更多的子模块来实现扩展

但是它也有一些缺点，

• 首先就是需要增加额外的导线，相比于集中式，模块式步进需要跟电池组连接，每个模块之间也需要导线连接。
• 其次呢，就是成本较高，主要的原因是每个模块的功能是一样的，但是并不是所有的功能都会用到，这就造成了浪费，尤其是从属模块，其实用到的功能并不多

其实我们看到这里也感觉这种结构不是特别合理，于是就有了改进版。

2.1.3 主从式

其实我们看到这里也感觉这种结构不是特别合理，于是就有了改进版。我们把模块按照主从功能不同分开

将从模块用不到的功能去掉，这样就能减少一大笔成本
主BMS负责的功能相对较多，有计算，预测，决策，通信等，从单元呢，基本上就是只负责测量。
这样呢，它可以说是继承了大部分模块式结构的优点，同时还减少了扩展的成本。

2.1.4 分布式

还有一种拓扑结构，跟我们前边讲的略微不同，叫做分布式

在前边的几种拓扑结构中，各种电子设备都不会安装在单体电池上，基本上都是通过甩线过去测量。
但是在分布式系统中，我们的测量单元和其他的电子设备直接安装到和单体电池一体的电路板中，这样的好处是与前边几个相比，BMS与单体电池之间的连线基本上被消灭了。
然后呢跟主从式有点像的是它也会有一个控制器来负责运算，预测，决策等工作。模块之间基于总线进行通讯。在汽车上，我们一般用的就是CAN总线了。
我们的每个单元里边都包含了采集回路，带CAN总线的MCU，可以直接通过总线通讯来收发信息。

它的优势自然是有很多：

• 首先就是拥有极高的扩展性，可以精细到单体电池的扩展。
• 其次呢就是连接可靠性高，基本上没有什么过长的线缆，电池和测量电路结合紧密，也减小了干扰和误差。安全性也很高。
• 同时也易于维护，哪里坏了的话只需要更换一个很小的单元。

但是也会有一些不足：

• 比如说首先就是成本很高，因为每个单体都增加了一套设备，所以整体算下来成本是很高的。
• 其次就是体积过大，这个也很好理解，每一个电池的每一个单体的旁边都有一套测量系统，会影响整个电池板的体积。

现在一些IC也可以做的很小了，这个影响因素会越来越淡。

三、BMS的功能

3.1 BMS基本功能

说到BMS的功能，让我们先来根据之前的内容推断一下

首先我们有一包电池，锂离子电池，很强大，但是脾气很暴躁，一个不小心就会起火或者罢工，让我们来设计一个系统来管理它，我们要怎么设计呢？

• 我们需要的第一个功能是什么呢，肯定是测量，我们需要从电池上测量我们想要了解到的一切信息，得到信息之后呢？
• 我们肯定不会是做一个简单的展示，我们需要对数据进行分析，当我们根据数据分析出了一个结果之后，我们该干什么呢？
• 首先，肯定是控制，控制充放电过程，控制温度等等
• 其次呢？我们需要将分析的结果告知其他的控制器，类似于整车控制，仪表盘等等
• 除了通讯，我们的结果还应该保存下来，因为这个过程中会有一些故障，会生成故障代码，也是为了之后我们对问题分析的时候有迹可查，日志功能是必须的，而且日志也需要通过通信模块跟外界沟通，并且这个过程是双向的
• 同时我们从外界接收到的指令也需要加入到分析的过程中，所以这个过程也应该是双向的。

这个就是一个BMS的基本功能了。

3.2 典型BMS功能

我们来看一看一个真实的通用BMS会包含哪些功能

• 第一个，是电池的参数测试，主要是针对于单体电池，包括了电压，温度，和电池的内阻等等，
  电压的采集基本上现在都是用专门的ADic来采集，但是如果再往小去观察的话，其实也会有不同的结构，有的是每一个单体电池配一个ad通道，我们叫做离散采集，有的是利用一个正极来扫描，我们叫做单极复用，还有是拿一个差分的多路复用来扫描，我们称作差分复用，当然这个主要是由芯片的成本决定的。
  对于温度的检测，一般来说是用热敏电阻完成的，但是不同的是热敏电阻的用量和放置位置，如果每一个单体都监测，自然是最精确的，但是成本势必会上涨，而且会增加更多的线束，所以还有一种办法是分区域监测，通过合理的将电池包分割成不同的区域来监测温度，相应的成本会降低，而且如果监测点比较合理，也可以达到类似的效果。这个问题对于分布式的BMS来说具有天然的优势，分布式的BMS可以比较轻易的将测温功能集成进去。
  对于电流，我们是没有办法直接测量的，一般是用分流器或者是霍尔传感器来测量。
• 第二个是对于系统参数的测量，刚刚我们讲的是单体的，这个是对于整体的一个把控。包括了总电压，总电流，还有绝缘电阻的测量，这个绝缘电阻也是为了保证安全国家标准里强制测量的。
• 第三个功能是关于能量的计算，就是使用各种方法计算SOC,SOH,DOD等可以衡量电池各项指标的参数。
• 第四个是电池的管理，包括了对电池能量的分配，电池的休眠和唤醒
• 第五个是热管理，因为电池的正常工作温度范围比较窄，所以需要对电池的温度进行管理，说白了就是冷了加加热，太热了就想想办法降温，吹吹风或者液冷。
• 第六第七个功能我们一起说，就是对充放电过程中的功率，方式的控制。
• 再加上第八个均衡管理，包括主动均衡和被动均衡，基本上可以保证每个单体电池都可以得到充分的利用。
• 另外呢还需要为整个系统提供必要的保护，所以继电器的控制是不能少的。
• 接下来就是对于故障的诊断，包括分类，分级以及对一些故障的处理
• 接下来就是对数据的处理，包括日志记录，故障代码的记录，以及一些应用数据的管理。
• 最后呢就是通信，一般来说是通过CAN总线来实现的。

我们差不多总结了12大功能，那么我们把这些功能分分类，我们发现之前跟我们自己想的功能几乎是相同的。

下一节，我们讲BMS的测试，敬请期待。

参考资料：https://www.hongcesys.com/