BMS專題之BMS的分類與功能

一、什麼是BMS

1.1 BMS定義

好，我們終於進入正題了，首先就是，什麼是BMS。
BMS是電池管理系統（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）的縮寫
基本上來說兩個以上的單體電池組成的供電系統都需要一個BMS

經過我們上篇文章對電池的探討，我想我們大家大概已經知道了一個BMS應該具備的基本功能。

1.2 BMS基本功能

• 電池監控
  首先是電池監控BMS需要監控電池的各種狀態，包括，電壓，電流，溫度等，一般來說單體的和總的都需要檢測，根據BMS的複雜程度不同有着不同的結構，這個後邊會講到。
• 電池保護
  我們拿到數據之後，接着就是根據數據來對電池提供必要的保護，讓電池工作在一個安全的環境中，主要包括充放電過程中電壓，電流的控制以及溫度的管理等
• 電池狀態估計
  接着就是根據以往的數據對電池的狀態的一個估計，例如SOC，這個數據是沒有辦法直接測量的，需要通過一些其他的方法，簡單的比如說利用電壓的變化來表徵容量，但是這種往往是不精確的，因爲電池充放電的電壓曲線在一定範圍內幾乎是平的，這就導致了很大的誤差；再複雜一點的呢就是利用對電壓電流按照充放電時間進行積分來求，會比前邊好一點；然後還有一些用卡爾曼濾波算法來實現，這是一個很好的可以用來預測的算法，它也考慮進去了各種噪聲；還有呢就是現在比較火的神經網絡了，使用AI來進行管理，但是這個不知道目前有沒有成熟的產品出來。
• 電池性能最大化
  我們的BMS還要通過對所有的數據分析，來指定不同的均衡策略，最終的目的就是充電的時候儘量都充滿，放電的時候儘量都放完，不要存在像我們之前展示的那樣極端不均衡的現象。
• 對用戶或外部設備進行反饋
  最後呢，就需要的是跟外界通訊，一般來說是通過CAN總線跟我們其他的ECU進行通訊。

總體來說，BMS其實解決的是兩件事，第一件事是安全，保證電池有一個良好的工作環境，而且保證雨露均沾，不讓個別電池一直受苦而產生不滿，主要是結果比較可怕，要麼罷工要麼爆炸；其次是高效，讓每一個單體電池都發揮自己最大的價值，產生最高的效益。、

二、BMS的分類

接着給大家介紹一下BMS的分類，一說到分類，首先要提到的是分類標準，就是按什麼來分類，這裏我從兩個方面給大家介紹一下。

2.1 按照功能分類

首先是按功能分類，按照功能，我們從簡單到複雜一個一個來說
首先是最簡單的，叫做

• 恆流恆壓充電，這個甚至都不能叫做電池管理系統，一些簡單的充電器就是這個策略，因爲它就是提供一個恆定的電流或者是電壓，很多地段的使用鉛酸電池的電瓶車用的就是這種設備，但是因爲鉛酸電池比較皮實，一般也不會發生危險。但是我們通過之前的介紹知道，這個根本無法對電池提供任何保護，不過不搭配其他的控制策略，那麼這個相當於就是將電池直接暴露在了一個不受保護的環境中，比較危險。

• 第二種是叫分流器，這個也比較簡單，最簡單的形式是跟電池並聯一個齊納二極管，形成一個電壓鉗位電路，基本上相當於是單純的監視電壓，當電壓達到設定的的值的時候，二極管反向擊穿，分走大部分的電流，起到保護電池的目的。但是這也存在一些問題，分流器的額定電流是有限的，當電流大於分流器的上限的時候，還是會有電流流過電池所以要麼分流器足夠大，要麼有分流器的BMS需要跟充電器匹配，充電器配合分流器的動作動態調節電壓，纔可以達到更好的效果。而且好像比較少有給每一節電池並一個分流器的，分流器可能只到電池組這個級別。
  

• 第三種是檢測器，所謂的檢測器，就是僅具備測量功能，可以測量單體電池和整體的電壓，電流，溫度，預估SOC等等，將他們呈現在屏幕上或者是其他地方，
  
  這是一個監測器的示意圖.大家可以看到，其實它不能作爲一個完整的BMS來使用，爲什麼呢？因爲雖然可以顯示數據，但是無法防止過充過放，也不能實現均衡，但我爲什麼要把它列出來呢？
  因爲有些情況下我們使用電池的場景是有人蔘與的，只要我們把人也加進這個系統裏來，那它就是完整的，我們可以根據參數來執行相應的動作。

• 說完了監測器，緊接着我們就來到了監控器，有什麼區別呢？其實就是在監測器上增加了控制的動作，這樣就形成了一個閉環，它可以自動工作，根據監測到的數據來執行相應的動作，比如說利用繼電器的動作來切斷充電器或者負載。可以做到保護電池不過充過放，從而保證電池的安全。但是它的缺點是無法對單體電池之間的電量進行均衡。
  

• 接下來我們繼續豐富功能，均衡器。
  
  均衡器在監控器的基礎上增加了單體電池均衡的功能，可以實現主被動均衡，從而保證電池得到最優化的利用。

2.2 按照拓撲分類

拓撲結構對於BMS來說很重要，因爲他會影響到系統的成本，可靠性，安裝維護的便捷性以及測量預測的準確性。

2.1.1 集中式

首先是第一類，集中式，也叫一體式
集中式呢就是將整個BMS封裝在一個裝置內，甩出來導線接到導體電池上。
如圖所示

他的優點非常明顯，

• 首先是結構緊湊，往往就是一個盒子
• 然後價格也比較便宜
• 還有就是維護比較簡單，往往整體更換就可以。

但是也會有不足，

• 首先就是擴展性差，一個產品定型了想要擴展就得重新設計，
• 其次呢就是安全隱患，因爲線束過多過長，就會造成一系列的安全隱患問題。

2.1.2 模塊式

接下來一種是模塊式

他與集中式的BMS很相似，但是模塊式的BMS被分成很多相同的子模塊，每個封裝的導線連接整個電池板內部不同的部位嗎，監測某一塊區域，
我們說是功能相同的模塊，但是其實也會有一個模塊被分配作爲主模塊，用來管理調度整個電池包並且負責跟外界通訊。其他的從BMS就通過通訊總線來跟主BMS進行通訊，但是他們之間的功能是一樣的。
它的優勢在於：

• 首先呢，因爲它是相當於將集中的BMS小型化，多個級聯，所以擁有集中式的大多數優勢，比如說維護方便，價格便宜等等
• 其次呢，由於單個模塊的規模較小，所以子模塊到單體電池的導線就會相對較短，可以離電池更近，這樣就避免了過長的導線帶來的隱患和誤差。
• 最後呢，它還易於擴展，同歸哦增加更多的子模塊來實現擴展

但是它也有一些缺點，

• 首先就是需要增加額外的導線，相比於集中式，模塊式步進需要跟電池組連接，每個模塊之間也需要導線連接。
• 其次呢，就是成本較高，主要的原因是每個模塊的功能是一樣的，但是並不是所有的功能都會用到，這就造成了浪費，尤其是從屬模塊，其實用到的功能並不多

其實我們看到這裏也感覺這種結構不是特別合理，於是就有了改進版。

2.1.3 主從式

其實我們看到這裏也感覺這種結構不是特別合理，於是就有了改進版。我們把模塊按照主從功能不同分開

將從模塊用不到的功能去掉，這樣就能減少一大筆成本
主BMS負責的功能相對較多，有計算，預測，決策，通信等，從單元呢，基本上就是隻負責測量。
這樣呢，它可以說是繼承了大部分模塊式結構的優點，同時還減少了擴展的成本。

2.1.4 分佈式

還有一種拓撲結構，跟我們前邊講的略微不同，叫做分佈式

在前邊的幾種拓撲結構中，各種電子設備都不會安裝在單體電池上，基本上都是通過甩線過去測量。
但是在分佈式系統中，我們的測量單元和其他的電子設備直接安裝到和單體電池一體的電路板中，這樣的好處是與前邊幾個相比，BMS與單體電池之間的連線基本上被消滅了。
然後呢跟主從式有點像的是它也會有一個控制器來負責運算，預測，決策等工作。模塊之間基於總線進行通訊。在汽車上，我們一般用的就是CAN總線了。
我們的每個單元裏邊都包含了採集迴路，帶CAN總線的MCU，可以直接通過總線通訊來收發信息。

它的優勢自然是有很多：

• 首先就是擁有極高的擴展性，可以精細到單體電池的擴展。
• 其次呢就是連接可靠性高，基本上沒有什麼過長的線纜，電池和測量電路結合緊密，也減小了干擾和誤差。安全性也很高。
• 同時也易於維護，哪裏壞了的話只需要更換一個很小的單元。

但是也會有一些不足：

• 比如說首先就是成本很高，因爲每個單體都增加了一套設備，所以整體算下來成本是很高的。
• 其次就是體積過大，這個也很好理解，每一個電池的每一個單體的旁邊都有一套測量系統，會影響整個電池板的體積。

現在一些IC也可以做的很小了，這個影響因素會越來越淡。

三、BMS的功能

3.1 BMS基本功能

說到BMS的功能，讓我們先來根據之前的內容推斷一下

首先我們有一包電池，鋰離子電池，很強大，但是脾氣很暴躁，一個不小心就會起火或者罷工，讓我們來設計一個系統來管理它，我們要怎麼設計呢？

• 我們需要的第一個功能是什麼呢，肯定是測量，我們需要從電池上測量我們想要瞭解到的一切信息，得到信息之後呢？
• 我們肯定不會是做一個簡單的展示，我們需要對數據進行分析，當我們根據數據分析出了一個結果之後，我們該幹什麼呢？
• 首先，肯定是控制，控制充放電過程，控制溫度等等
• 其次呢？我們需要將分析的結果告知其他的控制器，類似於整車控制，儀表盤等等
• 除了通訊，我們的結果還應該保存下來，因爲這個過程中會有一些故障，會生成故障代碼，也是爲了之後我們對問題分析的時候有跡可查，日誌功能是必須的，而且日誌也需要通過通信模塊跟外界溝通，並且這個過程是雙向的
• 同時我們從外界接收到的指令也需要加入到分析的過程中，所以這個過程也應該是雙向的。

這個就是一個BMS的基本功能了。

3.2 典型BMS功能

我們來看一看一個真實的通用BMS會包含哪些功能

• 第一個，是電池的參數測試，主要是針對於單體電池，包括了電壓，溫度，和電池的內阻等等，
  電壓的採集基本上現在都是用專門的ADic來採集，但是如果再往小去觀察的話，其實也會有不同的結構，有的是每一個單體電池配一個ad通道，我們叫做離散採集，有的是利用一個正極來掃描，我們叫做單極複用，還有是拿一個差分的多路複用來掃描，我們稱作差分複用，當然這個主要是由芯片的成本決定的。
  對於溫度的檢測，一般來說是用熱敏電阻完成的，但是不同的是熱敏電阻的用量和放置位置，如果每一個單體都監測，自然是最精確的，但是成本勢必會上漲，而且會增加更多的線束，所以還有一種辦法是分區域監測，通過合理的將電池包分割成不同的區域來監測溫度，相應的成本會降低，而且如果監測點比較合理，也可以達到類似的效果。這個問題對於分佈式的BMS來說具有天然的優勢，分佈式的BMS可以比較輕易的將測溫功能集成進去。
  對於電流，我們是沒有辦法直接測量的，一般是用分流器或者是霍爾傳感器來測量。
• 第二個是對於系統參數的測量，剛剛我們講的是單體的，這個是對於整體的一個把控。包括了總電壓，總電流，還有絕緣電阻的測量，這個絕緣電阻也是爲了保證安全國家標準裏強制測量的。
• 第三個功能是關於能量的計算，就是使用各種方法計算SOC,SOH,DOD等可以衡量電池各項指標的參數。
• 第四個是電池的管理，包括了對電池能量的分配，電池的休眠和喚醒
• 第五個是熱管理，因爲電池的正常工作溫度範圍比較窄，所以需要對電池的溫度進行管理，說白了就是冷了加加熱，太熱了就想想辦法降溫，吹吹風或者液冷。
• 第六第七個功能我們一起說，就是對充放電過程中的功率，方式的控制。
• 再加上第八個均衡管理，包括主動均衡和被動均衡，基本上可以保證每個單體電池都可以得到充分的利用。
• 另外呢還需要爲整個系統提供必要的保護，所以繼電器的控制是不能少的。
• 接下來就是對於故障的診斷，包括分類，分級以及對一些故障的處理
• 接下來就是對數據的處理，包括日誌記錄，故障代碼的記錄，以及一些應用數據的管理。
• 最後呢就是通信，一般來說是通過CAN總線來實現的。

我們差不多總結了12大功能，那麼我們把這些功能分分類，我們發現之前跟我們自己想的功能幾乎是相同的。

下一節，我們講BMS的測試，敬請期待。

參考資料：http://www.hongcesys.com/