电池管理系统

电池管理系统（BMS）是管理任何电子系统的可再充电电池（电池或电池组），例如通过保护从其外面操作所述电池的安全工作区、监测其状态、计算辅助数据、报告该数据、控制其环境，对其进行身份验证和/或对其进行平衡。

与带有外部通信数据总线的电池管理系统一起建造的电池组是智能电池组。智能电池组必须由智能电池充电器充电。

电池管理系统可以xxx电池状态，如以下各项所示：

• 电压：总电压，单个电池的电压或定期抽头的电压
• 温度：平均温度，冷却液入口温度，冷却液输出温度或单个电池的温度
• 冷却液流量：用于风冷或液冷电池
• 电流：流入或流出电池的电流

• 电池管理系统还将通过将回收的能量（即，来自再生制动）重定向回电池组（通常由多个电池模块组成，每个由多个电池单元组成）来控制电池的充电。

电池热管理系统可以是被动的也可以是主动的，冷却介质可以是空气，液体或某种形式的相变。空气冷却在其简单性方面是有利的。这样的系统可以是被动的，仅依靠周围空气的对流，也可以是主动的，利用风扇使气流流通。在商业上，本田Insight和Toyota Prius都利用电池系统的主动空气冷却。空气冷却的主要缺点是效率低下。必须使用大量的功率来操作冷却机构，远远超过主动液体冷却。冷却机构的其他组件也增加了电池管理系统的重量，从而降低了用于运输的电池的效率。

液体冷却比空气冷却具有更高的自然冷却潜能，因为液体冷却剂往往比空气具有更高的热导率。电池可以直接浸入冷却液中，或者冷却液可以流过BMS，而无需直接接触电池。由于冷却通道的长度增加，间接冷却有可能在BMS上产生较大的热梯度。可以通过在系统中更快地泵送冷却剂，在泵送速度和热稳定性之间进行权衡来减少这种情况。

另外，电池管理系统可以基于上述各项来计算值，例如：

• 电压：最小和xxx电池电压
• 充电状态（SOC）或放电深度（DOD），用于指示电池的充电水平
• 健康状态（SOH），以各种方式定义的电池剩余容量测量值，以原始容量的百分比表示
• 电量状态（SOP），在给定的当前电量，温度和其他条件下，在定义的时间间隔内可用的电量
• 安全状态（SOS）
• xxx充电电流作为充电电流限制（CCL）
• xxx放电电流作为放电电流限制（DCL）
• 自上次充电或充电周期以来输送的能量[kWh]
• 电池的内部阻抗（确定开路电压）
• 已交付或存储的费用[Ah]（有时此功能称为库仑计数器）
• 自首次使用以来传递的总能量
• 自首次使用以来的总运行时间
• 总循环数

电池管理系统的中央控制器在内部与其在单元级别运行的硬件进行通信，或者在外部与诸如笔记本电脑或HMI的高级硬件进行通信。

高级别的外部交流很简单，可以使用几种方法：

• 不同类型的串行通讯。
• 汽车环境中常用的CAN总线通信。
• 不同类型的无线通信。

低压集中式电池管理系统通常没有任何内部通信。他们通过电阻分压来测量电池电压。

分布式或模块化电池管理系统必须使用一些底层内部单元控制器（模块化体系结构）或控制器-控制器（分布式体系结构）通信。这些类型的通信非常困难，尤其是对于高压系统而言。问题是电池之间的电压偏移。xxx单元接地信号可以比另一单元接地信号高数百伏。除软件协议外，还有两种已知的用于电压转换系统的硬件通信方式：光隔离器和无线通信。内部通信的另一个限制是xxx单元数。对于模块化体系结构，大多数硬件限制为最多255个节点。对于高压系统，所有电池的寻道时间是另一个限制，它限制了最低总线速度并失去了一些硬件选择。模块化系统的成本很重要，因为它可能与电池价格相当。硬件和软件限制的组合是内部通信的几种选择：

• 隔离式串行通讯
• 无线串行通信

电池管理系统BMS可以通过防止其在安全操作区域之外操作来保护其电池，例如：

• 过电流（在充电和放电模式下可能有所不同）
• 过电压（充电过程中），对于铅酸和锂离子电池尤为重要
• 欠电压（放电时）
• 过温
• 温度过低
• 超压（镍氢电池）
• 接地故障或泄漏电流检测（系统xxx高压电池与任何可触摸使用的导电物体（如车身）的电气连接）

BMS可能会通过以下方式阻止电池安全操作区域之外的操作：

• 包括内部开关（例如继电器或固态设备），如果电池在其安全操作区域之外操作，则该内部开关打开
• 要求连接电池的设备减少电量甚至终止使用电池。
• 主动控制环境，例如通过加热器，风扇，空调或液体冷却

电池管理系统BMS还可能具有预充电系统，该预充电系统提供了一种将电池连接到不同负载的安全方法，并消除了流向负载电容器的过大浪涌电流。

与负载的连接通常通过称为接触器的电磁继电器进行控制。预充电电路可以是与负载串联的功率电阻，直到电容器充电为止。可替代地，与负载并联连接的开关模式电源可以用于将负载电路的电压充电至足够接近电池电压的水平，以允许闭合电池与负载电路之间的接触器。电池管理系统可能有一个电路，该电路可以在预充电（例如由于焊接）之前检查继电器是否已经闭合，以防止产生浪涌电流。

为了最大化电池的容量，并防止局部的过充电或过充电，电池管理系统BMS可以通过平衡来主动确保组成电池的所有电池保持在相同的电压或充电状态。电池管理系统可以通过以下方式平衡电池：

• 通过将最多荷电的电池连接到负载上来浪费能量（例如通过无源调节器）
• 将能量从充电最多的电池转移到充电最少的电池（平衡器）
• 将充电电流降低到足够低的水平，不会损坏充满电的电池，而充电量较小的电池可能会继续充电（不适用于锂化学电池）
• 模块化充电

电池管理系统BMS技术的复杂性和性能各不相同：

• 简单的无源调节器通过在电池电压达到一定水平时绕过充电电流来实现电池或电池之间的平衡。电池电压不能很好地指示电池的SOC（对于某些锂化学物质，例如LiFePO4则根本不显示），因此，使用无源调节器使电池电压相等不会平衡SOC，这是BMS的目标。因此，尽管这些装置肯定是有益的，但其有效性受到严重限制。
• 有源调节器会在适当时智能地打开和关闭负载，以再次达到平衡。如果仅将电池电压用作启用有源稳压器的参数，则适用与上述无源稳压器相同的约束条件。
• 完整的BMS还将电池状态报告给显示器，并保护电池。

电池管理系统拓扑分为3类：

• 集中式：单个控制器通过多条导线连接到电池
• 分布式：每个电池都安装了一块电池管理系统BMS板，电池和控制器之间只有一条通讯电缆
• 模块化：几个控制器，每个控制器处理一定数量的单元，并在控制器之间进行通信

集中式电池管理系统最经济，扩展最少，并且受到众多电线的困扰。分布式BMS是最昂贵，最简单的安装，并且提供最干净的组件。模块化BMS兼顾了其他两种拓扑的功能和问题。

移动应用（例如电动汽车）和固定应用（例如服务器机房中的备用UPS）对电池管理系统的要求有很大的不同，尤其是在空间和重量限制要求方面，因此必须针对特定用途量身定制硬件和软件实现。对于电动或混合动力车辆，BMS只是一个子系统，不能作为独立设备使用。它必须至少与充电器（或充电基础设施）、负载、热管理和紧急关机子系统进行通信。因此，在良好的车辆设计中，电池管理系统BMS与这些子系统紧密集成在一起。一些小型移动应用程序（例如医疗设备推车、电动轮椅、踏板车和叉车）通常具有外部充电硬件，但是机载BMS必须仍然与外部充电器紧密集成。

正在使用各种电池平衡方法，其中一些是基于充电状态理论的。