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电池管理系统（BMS）是一种专门用于监督电池组的技术，电池组是一种电池单元的组件，以行x列矩阵配置进行电气组织，从而能够在一段时间内针对预期负载情况提供目标范围的电压和电流。 BMS提供的监督通常包括： 监测蓄电池 提供电池保护 估计电池的工作状态 不断优化电池性能 向外部设备报告操作状态
这里，术语“电池”意味着整个电池组；然而，监测和控制功能专门应用于整个电池组组件中被称为模块的单个电池或电池组。锂离子可充电电池具有最高的能量密度，是从笔记本电脑到电动汽车等许多消费品电池组的标准选择。虽然它们表现出色，但如果在通常严密的安全操作区（SOA）外操作，它们可能会相当无情，其结果从损害电池性能到完全危险的后果不等。BMS的工作描述无疑具有挑战性，其总体复杂性和监督范围可能涉及电气、数字、控制、热力和液压等多个学科。电池管理系统是如何工作的？ 电池管理系统没有一套必须采用的固定或唯一的标准。技术设计范围和实现的特征通常与以下内容相关：BMS有许多设计功能，电池组保护管理和容量管理是两个基本功能。我们将在这里讨论这两个功能是如何工作的。电池组保护管理有两个关键领域：电气保护，这意味着不允许电池在SOA之外使用而损坏；热保护，这涉及到被动和/或主动温度控制，以维持或将电池组带入SOA。电气管理保护：电流 监测电池组电流和电池或模块电压是实现电气保护的途径。任何电池单元的电SOA都受到电流和电压的约束。图1展示了典型的锂离子电池SOA，设计良好的BMS将通过防止在制造商电池额定值之外运行来保护电池组。在许多情况下，为了延长电池寿命，可以将进一步的降额应用于SOA安全区内。
锂离子电池具有不同的充电电流限制和放电电流限制，并且两种模式都可以处理更高的峰值电流，尽管时间很短。电池制造商通常规定最大连续充电和放电电流限制，以及峰值充电和放电电压限制。提供电流保护的BMS肯定会施加最大连续电流。然而，在此之前可能会考虑到负载条件的突然变化；例如电动车辆的突然加速。BMS可以通过对电流进行积分并在Δ时间之后，决定减少可用电流或完全中断组电流，来结合峰值电流监测。这允许BMS对极端电流峰值具有几乎瞬时的灵敏度，例如没有引起任何常驻熔断器注意的短路情况，但也可以容忍高峰值需求，只要它们不过量太长时间。电气管理保护：电压 图2显示了锂离子电池必须在一定的电压范围内运行。这些SOA边界最终将由所选锂离子电池的固有化学性质和电池在任何给定时间的温度决定。此外，由于任何电池组都会经历大量的电流循环、由于负载需求而放电以及来自各种能源的充电，因此这些SOA电压限制通常会进一步受到限制，以优化电池寿命。BMS必须知道这些限制是什么，并将根据这些阈值的接近程度做出决定。例如，当接近高电压极限时，BMS可以请求逐渐减小充电电流，或者如果达到该极限，则可以请求完全终止充电电流。然而，该限制通常伴随着额外的固有电压滞后考虑，以防止关于关断阈值的控制颤振。另一方面，当接近低电压限制时，BMS将请求关键的有源违规负载降低其电流需求。在电动车辆的情况下，这可以通过减小牵引电机可用的允许扭矩来实现。当然，BMS必须将驾驶员的安全考虑作为最高优先级，同时保护电池组以防止永久性损坏。热管理保护：温度 从表面上看，锂离子电池的工作温度范围很宽，但由于化学反应速率显著减慢，电池的整体容量在低温下会减少。就低温下的能力而言，它们的性能确实比铅酸或NiMh电池好得多；然而，温度管理是非常重要的，因为低于0°C（32°F）的充电在物理上是有问题的。在亚冷冻充电期间，金属锂的电镀现象可能发生在阳极上。这是一种永久性损伤，不仅会导致容量降低，而且如果受到振动或其他应力条件的影响，电池更容易发生故障。BMS可以通过加热和冷却来控制电池组的温度。
实现的热管理完全取决于电池组的大小和成本以及性能目标、BMS的设计标准和产品单元，其中可能包括对目标地理区域的考虑。无论加热器类型如何，通常从外部交流电源或用于在需要时操作加热器的替代常驻电池中提取能量更有效。然而，如果电加热器具有适度的电流消耗，则来自主电池组的能量可以被虹吸来加热自身。如果采用热液压系统，则使用电加热器来加热泵送并分布在整个组件中的冷却剂。 毫无疑问，BMS的设计工程师在设计行业中有一些技巧，可以将热能滴入电池组。例如，BMS内专门用于容量管理的各种电力电子设备可以打开。虽然不如直接加热效率高，但无论如何都可以利用。冷却对于最大限度地减少锂离子电池组的性能损失尤为重要。例如，也许给定的电池在20°C下运行最佳；如果封装温度提高到30°C，其性能效率可能会降低20%。如果电池组在45°C（113°F）的温度下连续充电和再充电，性能损失可能会高达50%。如果持续暴露在过热环境中，特别是在快速充电和放电循环期间，电池寿命也可能过早老化和退化。冷却通常通过两种方法实现，被动或主动，并且这两种技术都可以使用。被动冷却依靠气流的运动来冷却电池。就电动汽车而言，这意味着它只是在路上行驶。然而，它可能比看起来更复杂，因为空气速度传感器可以集成在一起，战略性地自动调整偏转空气坝，以最大限度地提高空气流量。在低速或车辆停止时，主动温控风扇的实施可能会有所帮助，但所有这些都只是使电池组与周围环境温度相等。如果天气炎热，这可能会提高包装的初始温度。热液压主动冷却可以设计为一个补充系统，通常使用具有指定混合比的乙二醇冷却剂，通过电动泵通过管道/软管、分配歧管、横流热交换器（散热器）和靠着电池组组件的冷却板进行循环。BMS监测整个电池组的温度，并打开和关闭各种阀门，将整个电池的温度保持在狭窄的温度范围内，以确保最佳的电池性能。 容量管理 最大限度地提高电池组容量可以说是BMS提供的最重要的电池性能特征之一。如果不进行这种维护，电池组最终可能会变得无用。问题的根源在于，电池组“堆叠”（电池串联阵列）并不完全相等，本质上具有略有不同的泄漏或自放电速率。泄漏不是制造商的缺陷，而是电池的化学特性，尽管它可能受到微小制造工艺变化的统计影响。最初，电池组可能具有匹配良好的电池，但随着时间的推移，电池与电池的相似性进一步降低，这不仅是由于自放电，还受到充电/放电循环、温度升高和一般日历老化的影响。有了这一点，回想一下之前的讨论，锂离子电池表现出色，但如果在严格的SOA之外运行，可能会相当无情。我们之前了解过所需的电气保护，因为锂离子电池不能很好地处理过充电。一旦充满电，它们就无法接受更多的电流，任何额外的能量都会转化为热量，电压可能会迅速上升，可能达到危险的水平。这对细胞来说不是一种健康的情况，如果持续下去，可能会造成永久性损伤和不安全的操作条件。电池组串联电池阵列决定了整个电池组电压，而相邻电池之间的不匹配在试图对任何电池组充电时都会造成困境。图3显示了为什么会这样。如果一个人有一组完全平衡的电池，那么一切都很好，因为每个电池都会以相等的方式充电，当达到4.0电压上限阈值时，充电电流可以被切断。然而，在不平衡的情况下，顶部电池将提前达到其充电极限，并且在其他底层电池被充电到满容量之前，需要终止支路的充电电流。
为了展示其工作原理，需要解释一个关键定义。给定时间电池或模块的充电状态 (SOC) 与充满电时可用电量相对于总电量成正比。因此，处于 50% SOC 的电池意味着它已充电 50%，这类似于电量计的品质因数。BMS 容量管理就是平衡电池组中每个堆栈的 SOC 变化。由于SOC不是一个可直接测量的量，因此可以通过各种技术来估计它，并且平衡方案本身通常分为两大类：无源和有源。主题有很多变体，每种类型都有优点和缺点。由 BMS 设计工程师决定哪一个最适合给定的电池组及其应用。被动平衡是最容易实现的，也可以解释一般的平衡概念。无源方法允许电池组中的每个电池具有与最弱的电池相同的充电容量。它使用相对较低的电流，在充电周期中从高 SOC 电池传输少量能量，以便所有电池充电至最大 SOC。图 4 说明了 BMS 如何实现这一点。它监视每个电池并利用晶体管开关和与每个电池并联的适当尺寸的放电电阻器。当 BMS 检测到给定电池接近其充电极限时，它将以自上而下的方式将其周围多余的电流引导至下方的下一个电池。 
之前和之后的平衡过程端点如图5所示。总之，BMS通过以下方式之一允许电池组中的电池或模块看到与电池组电流不同的充电电流来平衡电池组：
电池管理系统的类型 电池管理系统从简单到复杂，可以采用各种不同的技术来实现其“照顾电池”的主要指令。然而，这些系统可以根据其拓扑结构进行分类，拓扑结构与它们在整个电池组的电池或模块上的安装和操作方式有关。集中式BMS体系结构 在电池组总成中有一个中央BMS。所有电池组都直接连接到中央BMS。集中式BMS的结构如图6所示。集中式BMS具有一些优点。它更紧凑，而且往往是最经济的，因为只有一个BMS。然而，集中式BMS也有缺点。由于所有电池都直接连接到BMS，BMS需要很多端口来连接所有电池包。这意味着大型电池组中有大量的电线、电缆、连接器等，这使故障排除和维护变得复杂。
模块化BMS拓扑 与集中式实施类似，BMS被分为几个重复的模块，每个模块都有一束专用的电线，并连接到电池组的相邻指定部分。见图7。在某些情况下，这些BMS子模块可能位于主BMS模块监督之下，其功能是监测子模块的状态并与外围设备通信。由于重复的模块化，故障排除和维护更容易，扩展到更大的电池组也很简单。缺点是总体成本略高，而且根据应用程序的不同，可能会有重复的未使用功能。
主要/次要BMS 然而，在概念上类似于模块化拓扑，在这种情况下，从设备更局限于仅中继测量信息，而主设备专用于计算和控制以及外部通信。因此，虽然与模块化类型一样，成本可能更低，因为从设备的功能往往更简单，开销可能更少，未使用的功能也更少。
分布式BMS体系结构 与其他拓扑结构大不相同，在其他拓扑结构中，电子硬件和软件封装在模块中，模块通过连接的线束与电池相连。分布式BMS将所有电子硬件集成在直接放置在被监控的电池或模块上的控制板上。这减轻了相邻BMS模块之间少数传感器导线和通信导线的大量布线。因此，每个BMS都更加独立，并根据需要处理计算和通信。然而，尽管有这种明显的简单性，但这种集成形式确实会使故障排除和维护成为潜在的问题，因为它位于屏蔽模块组件的深处。成本也往往更高，因为在整个电池组结构中存在更多的BMS。
电池管理系统的重要性 在BMS中，功能安全是最重要的。在充电和放电操作过程中，防止监督控制下的任何电池或模块的电压、电流和温度超过规定的SOA限值是至关重要的。如果超过限制一段时间，不仅潜在的昂贵电池组会受到影响，而且可能会出现危险的热失控情况。此外，为了保护锂离子电池和功能安全，还严格监控较低的电压阈值限制。如果锂离子电池保持在这种低电压状态，铜枝晶最终可能在阳极上生长，这可能导致自放电速率升高，并引发可能的安全问题。锂离子动力系统的高能量密度的代价是几乎没有留下电池管理错误的空间。得益于BMS和锂离子电池的改进，这是当今最成功、最安全的电池化学物质之一。电池组的性能是BMS的第二大重要功能，这涉及到电气和热管理。为了在电气上优化整个电池容量，电池组中的所有电池都需要平衡，这意味着整个组件中相邻电池的SOC大致相等。这一点非常重要，因为它不仅可以实现最佳电池容量，而且有助于防止普遍退化，并减少对弱电池过度充电的潜在热点。锂离子电池应避免在低于低电压限制的情况下放电，因为这可能会导致记忆效应和显著的容量损失。电化学过程对温度高度敏感，电池也不例外。当环境温度下降时，容量和可用电池能量会显著下降。因此，BMS可以接合位于例如电动车辆电池组的液体冷却系统上的外部在线加热器，或者打开安装在直升机或其他飞机内的电池组的模块下面的常驻加热板。此外，由于低温锂离子电池的充电不利于电池的寿命性能，因此首先充分提高电池温度是很重要的。大多数锂离子电池在低于5°C时无法快速充电，在低于0°C时根本不应充电。为了在典型的操作使用过程中获得最佳性能，BMS热管理通常确保电池在狭窄的Goldilocks操作区域内运行（例如30–35°C）。这样可以保护性能，延长使用寿命，并培育出健康、可靠的电池组。电池管理系统的好处 一个完整的电池储能系统，通常被称为BESS，可以由数十、数百甚至数千个锂离子电池战略性地组装在一起，具体取决于应用。这些系统的额定电压可能小于100V，但可能高达800V，电池组供电电流范围高达300A或更大。高压电池组的任何管理不善都可能引发危及生命的灾难性灾难。因此，BMS对于确保安全运行至关重要。BMS的好处可以概括如下。功能安全。不用说，对于大尺寸的锂离子电池组来说，这是特别谨慎和必要的。但众所周知，即使是笔记本电脑中使用的较小格式也会起火并造成巨大破坏。包含锂离子动力系统的产品的用户的人身安全几乎没有留下电池管理错误的空间。 寿命和可靠性。电池组保护管理，电气和热力，确保所有电池都在声明的SOA要求内使用。这种微妙的监督确保了电池的安全使用和快速充电和放电循环，并不可避免地产生一个稳定的系统，有可能提供多年的可靠服务。 性能和范围。BMS电池组容量管理，其中采用电池间平衡来均衡电池组组件上相邻电池的SOC，允许实现最佳电池容量。如果没有这种BMS功能来考虑自放电、充电/放电循环、温度效应和一般老化的变化，电池组最终可能会变得无用。 诊断、数据收集和外部通信。监督任务包括对所有电池单元的连续监测，其中数据记录本身可以用于诊断，但通常用于计算任务，以预测组件中所有电池的SOC。该信息被用于平衡算法，但可以共同转发到外部设备和显示器，以指示可用的驻留能量，基于当前使用情况估计预期范围或范围/寿命，并提供电池组的健康状态。 降低成本和保修。在BESS中引入BMS增加了成本，电池组昂贵且具有潜在的危险性。系统越复杂，安全要求就越高，因此需要更多的BMS监督。但是，BMS在功能安全、寿命和可靠性、性能和范围、诊断等方面的保护和预防性维护保证了它将降低总体成本，包括与保修相关的成本。
仿真是BMS设计的宝贵盟友，尤其是当应用于探索和解决硬件开发、原型设计和测试中的设计挑战时。有了准确的锂离子电池模型，BMS体系结构的模拟模型就是公认为虚拟原型的可执行规范。此外，模拟允许针对不同的电池和环境操作场景对BMS监督功能的变体进行无痛调查。实现问题可以很早发现和调查，这使得在实际硬件原型上实现之前可以验证性能和功能安全性的改进。这减少了开发时间，并有助于确保第一个硬件原型是健壮的。此外，当在嵌入式系统应用程序中进行时，可以对BMS和电池组进行许多身份验证测试，包括最坏的情况。
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