BMS對不同的人意味著不同的東西。對某些人來說，它只是電池監控，在充電和放電過程中檢查關鍵操作參數，例如電壓和電流以及電池內部和環境溫度。監控電路通常會為保護設備提供輸入，如果任何參數超出限制，保護設備將產生警報或斷開電池與負載或充電器的連接。

對于負責備用電源的電力或工廠工程師來說，電池是防止停電或電信網絡中斷的最后一道防線，BMS意味著電池管理系統。這種系統不僅包括電池的監控和保護，還包括在需要時保持電池準備好提供全功率的方法以及延長其使用壽命的方法。這包括從控制充電制度到計劃維護的所有內容。

對于汽車工程師來說，電池管理系統是更復雜的快速作用能量管理系統的組成部分，必須與其他車載系統（如發動機管理、氣候控制、通信和安全系統）連接。

因此，BMS有很多品種。

設計裸金屬服務器

為了控制電池的性能和安全性，有必要了解需要控制什么以及為什么需要控制。這需要深入了解基本的電池化學成分、性能特征和電池故障模式，尤其是鋰電池故障。電池不能簡單地被視為黑匣子。

BMS構建塊

所有電池管理系統有三個共同的目標

保護電池或電池免受損壞

延長電池的使用壽命

將電池保持在可以滿足指定應用程序的功能要求的狀態。

為了實現這些目標，房舍管理處可以納入以下一項或多項職能。（點擊鏈接查看這些功能是如何實現的。

細胞保護保護電池免受超出公差的工作條件的影響是所有BMS應用的基礎。在實踐中，BMS必須提供全面的細胞保護，以涵蓋幾乎所有可能發生的情況。在規定的設計限制之外操作電池將不可避免地導致電池故障。除了不便之外，更換電池的成本可能令人望而卻步。對于必須在惡劣環境中運行的高壓和高功率汽車電池尤其如此，同時又容易被用戶濫用。

充電控制這是BMS的一個基本功能。與任何其他原因相比，因充電不當而損壞的電池更多。

需求管理雖然與電池本身的操作沒有直接關系，但需求管理是指使用電池的應用。其目標是通過在應用電路中設計節能技術來最大限度地減少電池的電流消耗，從而延長電池充電之間的時間。

土壤有機碳測定許多應用需要了解電池或電池鏈中單個電池的充電狀態（SOC）。這可能只是為了向用戶提供電池中剩余容量的指示，或者可能需要在控制電路中確保對充電過程的最佳控制。

SOH 測定健康狀態 （SOH）

是衡量電池提供其指定輸出的能力的指標。這對于評估應急電力設備的準備情況至關重要，也是是否需要采取維護措施的指標。

電池平衡在多節電池鏈中，由于生產公差或工作條件而導致的電芯之間的微小差異往往會隨著每個充電/放電循環而放大。較弱的電池在充電過程中會受到過大的壓力，導致它們變得更弱，直到它們最終失效導致電池過早失效。電池平衡是一種通過均衡鏈中所有電池上的電荷來補償較弱電池的方法，從而延長電池壽命。

歷史 -

（日志功能）監控和存儲電池的歷史記錄是BMS的另一個可能功能。這是為了估計電池的健康狀況所必需的，也是為了確定它是否受到濫用?？梢杂涗浹h次數、最大和最小電壓和溫度以及最大充電和放電電流等參數，以供后續評估。這可能是評估保修索賠的重要工具。

認證和識別BMS還允許記錄有關電池的信息，例如制造商的型號名稱和電池化學成分，這有助于自動測試，以及批次或序列號以及制造日期，以便在電池故障時實現可追溯性。

通信大多數BMS系統在電池和充電器或測試設備之間集成了某種形式的通信。有些鏈接到與電池接口的其他系統，以監控其狀況或歷史記錄。還需要通信接口，以允許用戶訪問電池以修改BMS控制參數或進行診斷和測試。

以下示例說明了BMS在實際中的三種截然不同的應用。

智能電池

可充電鎳鎘和鎳氫電池（如電動工具中使用的電池）的壽命可以通過使用智能充電系統來延長，該系統有助于電池和充電器之間的通信。電池提供有關其規格、當前狀況和使用歷史的信息，充電器使用這些信息來確定最佳充電曲線，或者由使用電池的應用來控制其使用情況。

充電器/電池組合的主要目標是允許采用更廣泛的保護電路，防止電池過度充電或損壞，從而延長其使用壽命。充電控制可以在電池或充電器中。應用/電池組合的目的是防止過載并節省電池。與充電器組合類似，放電控制可以在應用中或電池中。

雖然已經開發出一些包含智能的特殊電池，但智能更有可能在電池組中實現。

系統工作原理如下：

智能電池或智能電池提供傳感器的輸出，這些傳感器提供電池內電壓、電流和溫度的實際狀態以及充電狀態。它還可以提供報警功能，指示超出公差條件。

智能電池還包含一個存儲芯片，該芯片由制造商編程，其中包含有關電池規格的信息，例如：-

制造數據（名稱、日期、序列號等）

細胞化學

電池容量

機械外形代碼

電壓上限和下限

最大電流限制

溫度限制

一旦電池投入使用，內存也可能記錄：-

電池充電和放電的次數。

已用時間

電池的內部阻抗

它所承受的溫度曲線

任何強制冷卻回路的運行

超出限制的任何情況。

該系統還需要可能位于電池或充電器或兩者中的設備，這些設備可以根據一組規則中斷或修改充電。類似地，電池放電可以通過應用中的電池或需求管理電路來控制。

智能電池還需要一個可以與之交談的智能充電器和可以說的語言。

充電器被編程為響應來自電池的輸入，以優化充電曲線，以最大速率充電，直到達到預設溫度，然后減慢或停止充電和/或打開冷卻風扇，以免超過溫度限制，從而避免對電池造成永久性損壞。如果電池內部阻抗惡化表明需要修復，則還可以對充電器進行編程，通過對其進行幾次深度充電，放電循環來改造電池。由于電池包含有關其規格的信息，充電器可以讀取這些信息，因此可以構建通用充電器，只要它們符合商定的消息協議，就可以自動使充電配置文件適應一系列電池化學成分和容量。

需要一個單獨的通信通道來促進電池和充電器之間的交互。用于簡單應用的一個例子是系統管理總線（SMBus），它構成了智能電池系統的一部分，主要用于低功耗應用。符合SBS標準的電池稱為智能電池。然而，智能電池不僅限于SMS方案，許多制造商已經實施了自己的專有方案，這些方案可能更簡單或更復雜，具體取決于應用的要求。

據稱，使用這種技術可將電池壽命延長 50%。

自動控制系統

這是自動控制系統的一個例子，其中電池向充電器提供有關其實際狀況的信息，充電器將實際狀況與所需條件進行比較，并生成錯誤信號，該信號用于啟動控制動作以使實際狀況符合所需條件?？刂菩盘枠嫵煞答伝芈返囊徊糠郑答伝芈诽峁┳詣友a償，使電池保持在所需的工作參數內。它不需要任何用戶干預。某種形式的自動控制系統是所有BMS的重要組成部分

電池監控

除了與充電器通信外，智能電池還可以與用戶或電池可能所屬的其他系統通信。它提供的信號可用于打開警告燈或通知用戶電池的狀況以及剩余電量。

監控電池狀況是所有電池管理系統的重要組成部分。在以下兩個示例中的第一個示例中，控制操作是手動的，-發電廠維護工程師修復任何缺陷。在第二個示例中，電池是自動控制系統的一部分，該系統由幾個相互連接的反饋回路組成，控制電池本身及其作為整個車輛能量管理系統的一部分的作用。

電廠電池管理系統

備用和應急電源安裝的電池管理要求完全不同。電池可能長時間處于非活動狀態，不時通過涓流充電，或者像在電信裝置中一樣，它們可能會保持浮動充電以始終保持充滿電。就其性質而言，此類裝置必須隨時可用。管理此類安裝的基本職責是了解電池的狀態，以及是否可以依靠它來支持停電期間的負載。為此，了解電池的SOH和SOC至關重要。在鉛酸電池的情況下，單個電池的SOC可以通過使用比重計測量電池中電解質的比重來確定。傳統上，確定SOH的唯一方法是放電測試，即通過完全放電電池并測量其輸出。這樣的測試非常不方便。對于大型安裝，電池放電可能需要八個小時，再充電需要三天。在此期間，除非提供備用電池，否則安裝將沒有應急電源。

測量電池SOH的現代方法是 阻抗測試或電導測試

。已經發現，細胞的阻抗與SOC呈負相關，而作為阻抗倒數的電導與細胞的SOH有直接相關性。這兩種測試都可以在不對電池放電的情況下進行，但更好的是，監測設備可以保持在原位，提供永久的在線測量。這使工廠工程師能夠對電池狀況進行最新評估，以便檢測電池性能的任何惡化，并計劃適當的維護措施。

汽車電池管理系統

汽車電池管理比前兩個示例要求高得多。它必須與許多其他車載系統接口，它必須在快速變化的充電和放電條件下實時工作

當車輛加速和制動時，它必須在惡劣和不受控制的環境中工作。此示例描述了一個復雜的系統，以說明可能的功能，但并非所有應用程序都需要此處顯示的所有功能。

適用于混合動力電動汽車的BMS的功能如下：

監測組成電池的單個電池的狀況

將所有電池保持在操作范圍內

保護細胞免受超出公差條件的影響

在出現不受控制的情況、通信丟失或濫用的情況下提供“故障安全”機制

緊急情況下隔離電池

補償電池鏈中電池參數的任何不平衡

設置電池工作點，以允許在不對電池過度充電的情況下吸收再生制動電荷。

提供有關電池充電狀態 （SOC） 的信息。此功能通常稱為“燃油表”或“燃氣表” “

提供有關電池健康狀態 （SOH） 的信息。該測量值指示廢舊電池相對于新電池的狀況。

為駕駛員顯示器和警報提供信息

預測電池剩余電量的可能續航里程（只有電動汽車需要這樣做）

接受并實施來自相關車輛系統的控制指令

為電池充電提供最佳充電算法

提供預充電以允許在接通前進行負載阻抗測試，并提供兩級充電以限制浪涌電流

提供為單個電池充電的訪問方式

應對車輛運行模式的變化

記錄電池使用情況和濫用情況。（超出公差條件的頻率、幅度和持續時間）稱為日志功能

在電池發生故障的情況下緊急“跛行回家模式”。

因此，在實際系統中，BMS可以包含更多的車輛功能，而不僅僅是管理電池。它可以確定車輛所需的運行模式，無論是加速、制動、怠速還是停止，并實施相關的電力管理動作。

細胞保護

電池管理系統的主要功能之一是提供必要的監測和控制，以保護電池免受超出公差的環境或操作條件的影響。由于惡劣的工作環境，這在汽車應用中尤為重要。除了單個電池保護外，汽車系統還必須通過隔離電池和解決故障原因來響應外部故障條件。例如，如果電池過熱，可以打開冷卻風扇。如果過熱變得過熱，則可以斷開電池連接。

保護方法在保護部分中詳細討論。

電池充電狀態 （SOC）

確定電池的充電狀態（SOC）是BMS的第二個主要功能。SOC

不僅用于提供電量計指示。BMS監控并計算電池中每個電池的SOC，以檢查所有電池中的均勻充電，以驗證單個電池不會過應力。

SOC 指示還用于確定充電和放電周期的結束時間。過度充電和過度放電是電池故障的兩個主要原因，BMS 必須將電池保持在所需的 DOD

操作限制內。

混合動力汽車電池既需要用于再生制動的高功率充電能力，也需要用于發射輔助或助推的高功率放電能力。出于這個原因，它們的電池必須保持在可以放電所需功率的SOC，但仍有足夠的余量來接受必要的再生功率，而不會冒電池過度充電的風險。為HEV電池充滿電以平衡電池（見下文）會降低再生制動的充電接受能力，從而降低制動效率。設置下限是為了優化燃油經濟性，并防止過度放電，從而縮短電池壽命。因此，HEV需要準確的SOC信息，以保持電池在所需的安全范圍內運行。

混合動力汽車電池工作范圍

電池管理系統 （BMS）

裸金屬服務器范圍和故障后果

下圖顯示了可能的電池故障機制、后果以及電池管理系統應采取的必要措施

細胞故障、后果和保護機制

BMS必須在所有這些條件下保護電池和用戶

多級安全系統

BMS是多級安全系統的一部分，具有以下目標和保障措施

本質安全型細胞化學

電池技術設計審核

電池片供應商和生產審核

工作人員的技術能力

過程控制（已安裝和工作）

電池級（內部）安全裝置

電路中斷裝置 （CID） 如果超過內部壓力限制，則切斷電路

關閉分離器

壓力排氣閥

外部電路器件

PTC 電阻器（僅限低功耗應用）

熔斷 器

電池和電池隔離。電氣和機械分離（接觸器和物理分離），以防止事件傳播

裸金屬服務器軟件

監測與控制行動相結合的所有關鍵指標。（冷卻、電源斷開、負載管理）

控制操作或在超出限制的情況下關閉

BMS 硬件 - 故障安全備份

在軟件故障的情況下關閉硬件。設置為稍高的限制

低壓 BMS 電源故障時的電池關閉

遏制

堅固的外部容器，通風可控

細胞之間的物理屏障

裸金屬服務器實施

下圖是主要 BMS

功能的概念表示。它顯示了三個主要的BMS構建模塊，電池監控單元（BMU），電池控制單元（BCU）和CAN總線車輛通信網絡，以及它們如何與其他車輛能量管理系統接口。其他配置可以通過嵌入在電池單元到電池互連中的分布式BMS來實現。

在實踐中，BMS也可以耦合到通過CAN總線（見下文）與BMS通信的其他車輛系統，例如熱管理系統或禁用電池的防盜設備?？赡苓€需要系統監控和編程，以及使用

RS232 串行總線進行數據記錄。

電池監控單元

電池監控單元是基于微處理器的單元，包含三個功能或子模塊。這些子模塊不一定是單獨的物理單元，但為清楚起見，此處單獨顯示。

電池型號

電池模型在軟件算法中表征電池響應各種外部和內部條件的行為。然后，模型可以使用這些輸入在任何時刻估計電池的狀態。

電池模型的一個基本功能是計算上述功能的電池SOC。

SOC基本上是通過對隨時間變化的電流進行積分來確定的，修改以考慮影響電池性能的許多因素，然后從充滿電的電池的已知容量中減去結果。這在 SOC

一節中有詳細說明。

電池模型可用于記錄過去的歷史記錄以進行維護，或預測車輛在電池需要充電之前可以行駛多少英里。剩余續航里程根據最近的駕駛或使用模式計算得出，該范圍是根據當前的

SOC 和消耗的能源以及自上次充電以來覆蓋的里程（或者根據以前的長期平均值）計算得出的。行駛距離來自CAN總線上其他傳感器提供的數據（見下文）。

對于唯一電源是電池的電動汽車來說，續航里程計算的準確性更為重要。如果電池完全放電，HEV 和自行車有另一種“帶你回家”的電源。

當單個電池發生故障時失去所有功率的問題可以通過增加四個更昂貴的接觸器來緩解，這些接觸器有效地將電池分成兩個單獨的單元。如果電池發生故障，接觸器可以隔離并旁路包含故障電池的一半電池，允許車輛使用另一半（良好）電池以一半的電量跛行回家。

模型的輸出也使用CAN總線發送到車輛顯示器。

多路復用

為了降低成本，電池監控單元采用多路復用架構，而不是并行監控每個電池，該架構將每個電池（輸入對）的電壓依次切換到單個模擬或數字輸出線（見下文）。通過減少模擬控制和/或數字采樣電路的數量，從而將元件數量降至最低，可以實現成本節約。缺點是一次只能監測一個電池電壓。需要高速切換機制將輸出線切換到每個單元，以便可以按順序監視所有單元。

BMU還提供用于估算電池SOH的輸入，但是由于SOH在電池的使用壽命內僅逐漸變化，因此需要較少的采樣。根據用于確定SOH的方法，采樣間隔可能低至每天一次。例如，阻抗測量甚至可以在車輛不使用時進行。當然，循環計數只能在車輛運行時進行。

需求或個性模塊

需求模塊在某些方面與電池模型相似，因為它包含一個參考模型，其中包含與電池模型監控的各種參數相關的所有公差和限制。Demand

模塊還從通信總線（例如來自 BMS

的命令）接收再生制動充電的指令，或者來自其他車輛傳感器（如安全裝置）或直接從車輛操作員獲取指令。該裝置還用于設置和監控車輛運行模式參數。

該模塊有時被稱為個性模塊，因為包括對系統進行編程的規定，所有可能特定于客戶應用的自定義要求。例如，電池制造商將建議一個溫度限制，出于安全原因，必須在該溫度限制下自動斷開電池。但是，汽車制造商可以設置兩個下限，一個可以打開強制冷卻，另一個可以點亮駕駛員儀表板上的警告燈。

對于HEV應用，個性模塊通過CAN總線與發動機電子控制單元（ECU）接口。該模塊中規定用于設置所需的系統SOC工作范圍以及用于控制電驅動和內燃機之間的功率共享的參數。

Demand 模塊還包含一個存儲塊，用于保存所有參考數據并累積用于監控電池 SOH

的歷史數據。顯示SOH或打開警告燈的數據可以通過CAN總線提供給車輛儀表模塊。

需求模塊的輸出為設置電池的工作條件或觸發保護電路的動作提供了參考點。

通過標準 RS 232 或 RS485 串行總線提供對 BMS 的測試訪問，用于監控或設置系統參數以及下載電池歷史記錄。

決策邏輯模塊

決策邏輯模塊將電池模型中測量或計算的電池參數的狀態與需求模塊的所需或參考結果進行比較。然后，邏輯電路提供錯誤消息以啟動電池保護動作或用于各種BMS反饋回路，從而將系統驅動到所需的工作點或在不安全條件下隔離電池。這些錯誤消息為電池控制單元提供輸入信號。

系統通信

BMS需要一個通信通道，用于在其各種內部功能電路模塊之間傳遞信號。它還必須與多個外部車輛系統連接，以監控或控制遠程傳感器、執行器、顯示器、安全聯鎖和其他功能。

因此，汽車BMS使用為此目的設計的CAN總線作為其主要通信通道。

該系統還應包括標準汽車車載診斷（OBD）的規定，并向服務工程師提供診斷故障代碼（DTC）。這種連接對于識別電池故障的任何外部原因非常重要。

電池控制單元

電池控制單元包含所有 BMS 電力電子電路。它從電池監控單元獲取控制信號，以控制電池充電過程并將電源連接切換到單個電池。

該單元的一些可能功能是：

在充電過程中控制充電器輸出的電壓和電流曲線。

為單個電池提供充電，以平衡電池鏈中所有電池的充電。

在故障或報警條件下隔離電池

根據需要將再生制動充電切換到電池中

電池充滿電時傾倒過多的再生制動電荷

應對車輛運行模式的變化

為了提供這些功能，電池中的每個電池可能需要能夠切換 200 安培或更高的昂貴大電流開關，以提供必要的互連。

二進制控制和漸進控制

在最簡單的形式中，BMS為故障或過載等超出公差條件提供“二進制”ON/OFF響應，僅通過打開主接觸器完全隔離電池。然而，在過載的情況下，可以通過利用CAN總線來減少對電池的需求，從而提供漸進式或可變控制。

電池平衡

這是汽車BMS的另一個基本功能。如上所述，需要補償單個電池的弱點，這些弱點最終可能導致整個電池的故障。單元平衡的原因及其實現方式在“單元平衡”頁面上進行了說明。

跛行回家模式

盡管電池設計為3年或更長時間無故障，但電池始終有可能因單節電池故障而失效。如果電池開路，電池基本上沒電了。但是，BMS旨在監控每個單元的狀態，因此將自動識別故障單元的位置。將電池串聯分成兩部分并不困難，每部分都可以通過斷開包含故障電池的電池部分并在其位置切換導電鏈路來獨立繞過。這將允許車輛使用電池的良好部分以半功率到達家中或最近的避難所。除了鏈路外，系統還需要兩個更昂貴的高功率接觸器來實現此功能，但是當替代方案可能是高速公路上昂貴且危險的故障時，這種投資可能是合理的。

系統增強功能

汽車BMS可能還需要提供各種功能，這些功能不一定是管理電池所必需的。這些可能包括從車隊總部遠程監控電池，這也可能包括車輛的GPS位置。因此，如果車輛電量不足或偏離充電站太遠，則可以警告駕駛員。

幸運的是，并非所有BMS應用程序都像這個一樣復雜。

實用的BMS實施

實現電池管理系統的方法有很多種，下面顯示了由 256 節磷酸鐵鋰電池組成的 80 伏電池的兩個不同示例。

主從

主站和從站，星形拓撲結構，將單元組織成塊或模塊，每個模塊由一個從站管理。在所示示例中，16 X 3.2 伏電池排列在模塊中，每個模塊的輸出電壓為

51.2 伏，但其他模塊尺寸和電壓也是可能的。

奴隸——每個電池都有一個溫度傳感器以及用于測量電壓的連接，所有這些都連接到從站，從站監控電池的狀況并實現電池平衡。

師父——多個從站可以連接到主站，主站監控電流并將其隨時間進行積分以計算凈庫侖流量，并使用來自從站的電壓和溫度數據進行修改以計算電池SOC。主設備控制主電池隔離接觸器啟動電池保護，以響應來自主電流傳感器的數據或來自從站的電壓和溫度數據。主站還提供系統通信。

BMS 主站和從站（星形拓撲）

這種配置的優點是不需要將印刷電路板連接到單個電池，并且可以通過添加更多模塊來容納高壓電池，并且由于主電池電流不通過從機，因此也可用于大電流電池。信號處理在主站和從站之間共享，簡化了信息處理負載的管理。內部通信通過

I2C 總線進行。

缺點是傳感器和從站之間的通信是模擬形式，因此容易受到噪聲的影響，并且需要大量的傳感器線，每個單元四根。還需要從機和主機之間的光隔離連接，因為從機上的電壓會逐漸升高，直至電池全電壓，因為連接是從電池鏈的上游獲取的。

與外界的通信（上圖和下圖中的COMS）通常通過RS232或更可能的USB串行連接進行。

BMS菊花鏈

菊花鏈，環形拓撲，使用連接到每個電池的小型簡單從屬印刷電路板來容納帶有A至D轉換器的電壓和溫度傳感器，以及一個電流旁路開關，通過電荷分流實現電池平衡，以及具有內置電容隔離的通信收發器，用于以數字形式接收和傳輸數據。從機從其正在監控的單元獲取電源，單個RS

485三線數據總線將所有從站的節點連接到主站，主站依次輪詢每個節點并請求更新其單元條件。除了A到D轉換外，從站不執行任何信號處理，因為這都是由主機執行的，以及上面示例中的所有監控，保護和通信功能。

BMS 菊花鏈（環形拓撲）

這種拓撲結構的主要優點是其更簡單的設計和構造，以及在汽車環境中具有更高可靠性的潛力。

缺點是需要大量的迷你從站印刷電路板，并且難以將它們安裝在某些電池類型上。此外，主站具有更高的處理負載。