電池市場正在不斷升溫。盡管電動(dòng)汽車（EV）僅占據(jù)市場的一部分，但隨著人們對電力儲、及電動(dòng)卡車以及飛機(jī)的興趣的不斷增長，電動(dòng)汽車成為這一趨勢中的重要一環(huán)。電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要性不言而喻。

電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，負(fù)責(zé)監(jiān)控?zé)彷斎搿?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣性能、流體動(dòng)力學(xué)及控制系統(tǒng)等多重標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，旨在確保電池性能的最優(yōu)化、操作的安全性、延長使用壽命等。本文將深入探討電池管理系統(tǒng)的工作原理要點(diǎn)、其重要性、各類系統(tǒng)分類、設(shè)計(jì)考量因素的演變，以及新思科技如何協(xié)助電池開發(fā)者推動(dòng)創(chuàng)新并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的虛擬化。

電池管理系統(tǒng)是什么？

電池管理系統(tǒng)是一套集成硬件與軟件的技術(shù)體系，專注于監(jiān)管由多個(gè)電池單體組成的電池組，這些單體被整合為模塊，并按照行列矩陣的方式電性連接。電池管理的復(fù)雜性在于，一個(gè)電池組可能包含數(shù)百至數(shù)千個(gè)電池單體。這些單體必須在預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)，在預(yù)期的負(fù)載狀況和環(huán)境因素作用下，穩(wěn)定地輸出特定范圍的電壓與電流。

▲圖1相鄰電池單元不匹配會在充電堆疊時(shí)引起問題

為確保電池能夠在各種不同條件下可靠運(yùn)行，電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控電池狀態(tài)以識別條件變化的跡象，為電池在嚴(yán)苛環(huán)境下的運(yùn)作提供保護(hù)措施，估算電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整電池性能以適應(yīng)不斷變化的條件，向關(guān)聯(lián)設(shè)備反饋電池的運(yùn)行情況，并執(zhí)行與其他系統(tǒng)的通信任務(wù)。此外，電池管理系統(tǒng)還具備記錄事件數(shù)據(jù)的功能，從而為后續(xù)產(chǎn)品迭代中電池行為、性能和安全性的提升提供數(shù)據(jù)支持。

電動(dòng)汽車中的電池系統(tǒng)在車輛行駛之前，必須適應(yīng)多種環(huán)境條件，確保能夠可靠啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行。比如車輛可能會進(jìn)入山區(qū)，在夜間遭受低于冰點(diǎn)的低溫考驗(yàn)；或者在非常炎熱的夏季，連續(xù)數(shù)小時(shí)在高溫下行駛。無論哪種情況，為了確保電池的最佳性能和長期耐用性，都必須將其維持在理想的溫度區(qū)間內(nèi)。

電池管理系統(tǒng)的重要性

電池管理系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于保障功能安全與提升性能。首先探討安全性問題，在大型電池組的運(yùn)行過程中，存在可能致命的高電流與電壓水平，必須對其進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保在惡劣工況下電池組的結(jié)構(gòu)與功能完整性。以電動(dòng)汽車為例，如若發(fā)生碰撞事故，電池管理系統(tǒng)在保障電池（及駕駛員）安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠迅速切斷電池與車輛的連接。

就性能而言，每個(gè)電池單體之間需要維持相對一致的良好狀態(tài)；必須避免電池單體的過充或過放，因?yàn)檫@會損害整個(gè)電池組的壽命。鑒于制造過程中的差異性，即便是同一生產(chǎn)線上的電池組內(nèi)各電池單體也不可能完全等同。盡管初始差異微乎其微，但若未妥善管理，電池在使用過程中可能會迅速喪失容量。隨著某些電池單體性能下降，過充時(shí)可能在電池組內(nèi)引發(fā)“熱點(diǎn)”現(xiàn)象。電池管理系統(tǒng)扮演著類似監(jiān)管機(jī)構(gòu)的角色，以防止此類問題的發(fā)生。

▲圖2電池管理系統(tǒng)監(jiān)測每個(gè)電池單元，并利用晶體管開關(guān)以及與每個(gè)電池單元并聯(lián)的適當(dāng)尺寸的放電電阻

總的來說，電池組保護(hù)管理確保電池單體在經(jīng)歷高強(qiáng)度使用和快速充放電周期時(shí)得到充分的保護(hù)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并且預(yù)期能夠提供更長久的服務(wù)期限。

電池管理系統(tǒng)的類型

電池管理系統(tǒng)與電池本身相似，其復(fù)雜程度取決于應(yīng)用場合以及為保障和優(yōu)化電池性能所需采取的不同策略。

盡管電池管理系統(tǒng)的分類方式多樣，但本文我們將依據(jù)其在電池組內(nèi)對電池單體或模塊的安裝及運(yùn)作方式進(jìn)行分類討論。

集中式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)：該架構(gòu)的特點(diǎn)在于電池組裝配中設(shè)有一個(gè)中央電池管理系統(tǒng)，所有電池包均與之相連。集中式電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其緊湊設(shè)計(jì)和較低的成本。然而，該電池管理系統(tǒng)需要眾多端口以實(shí)現(xiàn)與各電池包的連接，從而導(dǎo)致維護(hù)和故障排查工作變得復(fù)雜。

模塊化電池管理系統(tǒng)拓?fù)洌捍祟愲姵毓芾硐到y(tǒng)被分割成若干復(fù)制模塊，這些模塊與相鄰電池堆區(qū)段相連。盡管模塊化電池管理系統(tǒng)拓?fù)涞某杀鞠噍^于集中式方案更高，但其故障診斷和維護(hù)更為便捷，且擴(kuò)展至更大型電池組的過程亦更為簡化。

主/從電池管理系統(tǒng)架構(gòu)：在此架構(gòu)中，從屬模塊的功能僅限于向主模塊傳遞測量數(shù)據(jù)，而主模塊則承擔(dān)計(jì)算、控制處理以及外部通信任務(wù)。由于從屬模塊的功能較為簡單，因此該架構(gòu)通常具有較低的成本。

分布式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)：該架構(gòu)與前述三種架構(gòu)相比差異最為顯著，其特點(diǎn)在于將所有電子硬件集成于一個(gè)直接安置在被監(jiān)控電池單元或模塊上的控制板上，以此省去了繁雜的線纜連接，增強(qiáng)了每個(gè)電池管理系統(tǒng)的自包含性。然而，這種設(shè)計(jì)也相應(yīng)增加了故障診斷和維護(hù)的難度，并且由于在整個(gè)電池組結(jié)構(gòu)中電池管理系統(tǒng)數(shù)量增多，導(dǎo)致成本上升

電池管理的發(fā)展歷程

過去幾十年中，電池管理技術(shù)隨著電池設(shè)計(jì)的演進(jìn)而不斷進(jìn)步。以往，電池組采用的是一種包含全局監(jiān)控單元、局部通信管理單元以及用于與其他電池組進(jìn)行通信的接線盒的傳統(tǒng)架構(gòu)，這種架構(gòu)導(dǎo)致了大量線纜的使用。

當(dāng)下趨勢正朝著更為集中化且無線化的電池管理系統(tǒng)理念轉(zhuǎn)變，該理念顯著減少了傳統(tǒng)架構(gòu)中繁雜的線纜使用。這不僅便于維護(hù)操作，而且有效減輕了電池組的重量，從而直接提升了能源利用效率。對于電動(dòng)汽車而言，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更長的續(xù)航里程，即在需充電前的可行駛距離增加，同時(shí)還縮短了系統(tǒng)的充電時(shí)長。

我們持續(xù)關(guān)注的另一趨勢是運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這主要?dú)w因于當(dāng)前電池的高度復(fù)雜性以及硬件開發(fā)、原型構(gòu)建和測試所伴隨的一系列挑戰(zhàn)。仿真與虛擬原型技術(shù)賦予電池組開發(fā)者在設(shè)計(jì)流程初期便能驗(yàn)證技術(shù)規(guī)格的能力，此時(shí)電池組架構(gòu)及電氣負(fù)載（例如時(shí)鐘、牽引電機(jī)、連續(xù)充電模塊等）尚未明確且可能發(fā)生變動(dòng)。在這一環(huán)節(jié)中，新思科技憑借其開發(fā)與特性化工具介入，提供虛擬控制器平臺，從而實(shí)現(xiàn)對虛擬硬件原型的高效軟件開發(fā)及其他拓展功能。

新思科技的SaberRD便是上述工具中的一種。它為開發(fā)者們提供了包括機(jī)械、電氣、數(shù)字、控制、熱和液壓在內(nèi)的模型庫，便于用戶根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊規(guī)格和測量曲線，迅速為眾多電子設(shè)備以及各類化學(xué)成分電池（含鋰離子電池）構(gòu)建模型。借助蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)分析、應(yīng)力分析、最差情況分析和故障分析，可以在整個(gè)邊界區(qū)域運(yùn)行范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保電池管理系統(tǒng)的整體可靠性。這類工具極大程度地縮短了硬件原型制作周期，不僅降低了設(shè)計(jì)成本，還避免了可能產(chǎn)生的昂貴保修返修支出。隨著軟件在車輛運(yùn)行中的關(guān)鍵性日益凸顯，電池管理系統(tǒng)亦可從汽車電子數(shù)字孿生技術(shù)中獲益，實(shí)現(xiàn)對從控制器硬件與軟件到完整的多域電池及功率電子系統(tǒng)的全面仿真。

結(jié)語

綜上所述，電池行業(yè)正快速發(fā)展，以應(yīng)對電動(dòng)汽車需求激增、可持續(xù)能源電力儲存的創(chuàng)新、電動(dòng)飛機(jī)與卡車等新興應(yīng)用的需求。與此同時(shí)，電池管理系統(tǒng)也在不斷進(jìn)化，配合現(xiàn)代電池技術(shù)的發(fā)展，確保終端用戶的安全性，增強(qiáng)電池的可靠性，持續(xù)推進(jìn)續(xù)航能力的提升，并降低制造成本。這樣一來，電池將在未來的世界中更加普及且高效地發(fā)揮作用。