1.4 电池管理系统
1.4.1 定义
电池管理系统（Battery Management System，BMS）是对电池进行管理的系统，通常具有测量电池电压的功能，防止电池过放电、过充电、过热等异常状况出现。
随着技术发展，在BMS中已经逐渐增加了许多功能。对于新能源汽车而言，通过该系统对电池组充放电的有效控制，可以达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的，并保证动力电池组应用的安全性和可靠性。新能源汽车是汽车行业的发展方向。锂离子电池作为新能源汽车的储能设备，具有电压稳定、供电可靠等特点。
目前，常用的锂离子电池一般通过串联和并联的方式形成锂离子电池组，以满足新能源汽车高电压、大容量使用要求，在使用过程中，由于单体电池性能差异、环境温度变化、过充/放电等因素影响，电池组性能取决于性能最差的单体电池。因此需要通过BMS对锂离子电池组进行有效的能量管理，以提高锂离子电池组的使用效率，延长电池组使用寿命，降低运行成本，提高电池组可靠性。
1.4.2 功能
在锂离子电池组的整个生命周期中，BMS对核心参数SOC的监控和调节将影响动力输出的效果和安全性。因此，实时监测该参数的变化，对保障锂离子电池组的工作性能是非常有必要的。由于BMS技术尚不成熟，使用过程中存在因SOC估算不完善带来的续航能力预测不准确问题，以及能量失衡、热失控等安全隐患，严重制约了锂离子电池组的发展。锂离子电池组的BMS中，各关键参数间的逻辑关系如图1-2所示。
因此，BMS中的主要功能如下所述：
（1）准确估测动力电池组的荷电状态 准确估测动力电池组的荷电状态（SOC），即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池组造成的损伤，从而随时预报新能源汽车动力电池组的剩余能量或者动力电池组的荷电状态。
图1-2 BMS中各参数间的逻辑关系
锂离子电池组由具有高能量密度和闭路电压的锂离子电池单体组合构成，其安全性受到所处工作状态的影响。SOC表征了锂离子电池组的剩余电量，是为动力控制总系统提供动力供应保护的关键因素。此外，锂离子电池组的充放电过程包含复杂电能、化学能和热能转换等环节，过充电和过放电现象易引发安全事故，精确的SOC估算在防止过充电和过放电中起着重要作用。在锂离子电池组的动力领域应用中，其安全性依然是最为关注的问题，SOC估算是其安全使用的基础和前提。
（2）动态监测动力电池组的工作状态 在电池充放电过程中，实时采集动力电池组中的每块电池的端电压、温度、充放电电流及电池包的总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。
（3）单体电池间和电池组间的均衡 即在单体电池、电池组间进行均衡，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。电池均衡一般分为主动均衡和被动均衡。目前已投入市场的BMS，大多采用的是被动均衡。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。
通过对BMS的不同功能加以探索，将其结构分为测量、管理、评估、外部通信、日志与遥测，如图1-3所示。
图1-3 电池管理系统的结构
其中，各模块的功能简介如下：
（1）测量 标准版的数字BMS，其首要功能就是收集数据，测量的信号如下：
1）单体电池电压（也可能包含电池组电压）。
2）典型单体电池温度（至少含有电池模块温度）。
3）电池组电流。
（2）管理 BMS从以下三个方面管理电池模块：
1）保护。禁止电池工作在安全区域（State of Area，SOA）以外。
2）平衡或再分配。使电池模块容量最大化。
3）热管理。主动动作使电池工作在安全区域以内。
简易版模拟BMS可能仅具备保护和平衡功能。数字BMS则具备大部分或全部功能。
（3）评估 依据测得数据，BMS能够计算或估计出表征电池组水平的相关参数，主要如下：
1）荷电状态（SOC）。
2）放电深度（Depth of Discharge，DOD）。
3）电阻。
4）容量。
5）健康状态（State of Health，SOH）。
通常情况下，模拟BMS不具备这些功能。而大多数BMS只具有电压、电流和温度等基本信号检测的功能，只有复杂BMS才会具有上述所有功能。
这些评估功能既保护了电池组，又为使用者提供了方便。例如，SOC给出了电池组还能用多久的提示，SOH给出了何时更换电池组的预警，或以较小强度使用电池组以提高使用寿命。如果不能准确检测电池状态，电池组很早就需要进行更换，因而带来经济损失。这些参数迄今为止尚不能十分准确地估算，从而在实际应用和理论估算之间形成巨大差异。
（4）外部通信 BMS是否与外部系统进行通信，取决于其型号。
1）调节器和测量仪都没有定义任何外部通信。
2）监测器和平衡器要求具备一些外部通信功能，以便告知系统减小或者关断电流。
3）调节器和保护器是自包含的，不需要外部通信。
BMS进行外部通信时应具备如下条件之一：
1）BMS发出指令。
2）系统要求减小或者关断电流。
3）要求记录电池组状态和BMS本身的数据。
4）有指令送至BMS。
5）系统配置命令。
6）记录外部传感器的数据。
通常来说，通信可以分解如下部分：
1）专用线。具有专门功能的线路，功能可以是模拟（连续变化）信号。
2）数字（0/1）控制信号，用在固态装置或机械式继电器中。
3）数字连接。与数字信号的通信连接，可以是专用的，也可以是通用的数据端口（RS232、CAN、Ethernet）。
4）无线连接（WiFi，蓝牙）。
5）轻连接（光纤，红外连接）。
（5）日志和遥测 由于BMS可能在错误的日志中仍存储一些记录，期望其可以实现得更多，主要包括：
1）电池组电压。
2）电池组电流。
3）电池组SOC和SOH。
4）电池组内阻。
5）最小和最大单体电压。
6）最低和最高温度。
7）报警与错误。
相同数据可以传输到远程位置（遥测）。常用的方法是蜂窝调制解调器，其他传输方式包括网络寻呼机。
1.4.3 集成芯片
1.ATMEL公司生产的BMS处理器
ATMEL公司生产的ATmega406实际上是包括外围设备的一个全微处理器，可以管理小容量的锂离子电池。其外形类似于TI芯片，但是它需要用户编写内部程序。
此芯片的优点如下：
1）一个芯片最多可以管理4只串联的锂离子单体电池。
2）可以通过编程的方式实现对锂离子电池的智能管理。
3）ATmega406几乎不需要额外的保护组件。
4）应用焊接在电路板上的MOSFET和外部电阻，可以实现对电池的均衡控制。
5）具有剩余电量检测功能（表现在SOC和DOD计算上）。
6）对外使用SMB（Server Message Block）串行接口。
其缺点主要如下：
1）无法应用于大容量电池组，最多只能管理4个单体电池。
2）对于通过Off方法来进行SOC估算来说，58mV的精度偏低。
3）对于大容量电池组来说，2mA的均衡电流不足。
2.Elithion公司生产的BMS芯片集
Elithion公司生产的芯片集作为Lithiumate BMS的核心，与其搭配组成BMS，该BMS只能实现既定应用场景所需的功能。该芯片集的使用过程如下：
1）用户首先安装现有的Lithiumate BMS，并确认它能满足需求。
2）用户与Elithion公司签订关于知识产权的保护协议。
3）Elithion公司将会为用户提供Lithiumate BMS的设计文件。当然，如果用户需要，还可以根据用户的实际应用需求对Lithiumate设计进行改进。
4）用户可使用从Elithion公司直接购买的Lithiumate集成电路建立自己的BMS生产线。
使用这个芯片集的优点是Lithiumate BMS是一个规模化的、可直接利用的、有良好应用记录的、精良的电池管理系统，可以在一周内实现Lithiumate BMS的购买、安装、调试和检测等工作。相比其他现有的BMS来说，Lithiumate BMS可以保证用户在短时间内决定其是否能够满足自身的使用需求。然后稍做加工，一个应用此芯片集的Lithiumate BMS就组装完成了，用户可以根据自己的意愿对其命名，并进行相关标识。此芯片集的优点如下：
1）能实现对1～255个串联单体电池的管理（最大1000V）。
2）对电池容量和电流没有限制。
3）单体电池安装板上只有一条链状德州仪器（Texas Instruments，TI）公司的bq29330和bq20z90构成的四电池保护器电路，所需的安装控制空间较小，线束排列整齐，安装难度较低。
4）芯片集包含两组集成电路。一组EL01用于串联电池组中的每个单体电池，另一组EL02用于BMS控制器。
5）BMS的控制器能够完全满足系统的需要。
6）BMS可以输出每个单体电池的实际工作电压和温度。
7）BMS具有剩余电量检测功能（SOC和DOD），并且可进行SOH估算。
BMS可以通过外部组件实现对单体电池的均衡管理（可以实现主动均衡）。当然，Elithion提供的解决方案也有局限性，具体如下：
1）算法程序不能嵌入TI公司生产的芯片中。
2）BMS不是完全集成的。要构成一个完整的电池电路板，还需要增加14个外部组件。
相比其他的方案，该方案成本较高，该BMS前端模块如图1-4所示。
图1-4 使用EL01和EL02集成电路的BMS前端模块图
3.National Semiconductors公司生产的成套BMS
作为较晚进入锂离子电池管理领域的公司，National Semiconductor是第一家，也是唯一一家为客户提供完整成套的大容量锂离子电池组管理系统的半导体公司。
4.PeterPerkins生产的开源BMS
Peter致力于开发BMS开源项目，在将Bedford Rascal厢式货车改装成由太阳能和风能辅助的货车时，需要一个锂离子电池管理系统，却发现没有合适的BMS可以使用，因此他自己设计了分布式的均衡器，并将自己设计的BMS改进成适用于各种场合应用的产品。
Peter开发的BMS是一个精密的数字型锂离子电池均衡器，目前最多可以管理由256个单体电池组成的电池组。这种BMS可以是分布式结构，也可以是集中式结构，每个电池板电路由其管理的单体电池进行供电，具有测量单体电池电压和以300mA电流均衡控制的功能，但是没有测量电池工作温度的功能。从主控制器伸出两根环状链式结构导线与每个电池电路板相连，最后再回到控制器。该系统包括一个电流感应器（可用于SOC估算），一个RS232端口和一个显示装置。该系统的成本很低：一个管理16个单体电池的电池管理系统的成本仅仅需要100美元的零件费用，并且它的组装也很方便，只要有基本焊接能力的工作人员就可轻松完成。同时，因其软件可以随时改进以适应不同用户的需求，故该系统使用起来非常灵活。
5.TI公司生产的bq29330/bq20z90
TI公司是小容量锂离子电池管理系统集成电路方面的领导者，其产品在电话及笔记本计算机上均有较多应用。TI公司于1999年收购了Unitrode公司，开始涉足电池管理系统领域，而Unitrode公司此时刚刚收购了电池管理系统集成电路的领军公司——Benchmarq公司。因此，其集成电路型号的前级仍旧是bq，和在Benchmarq公司时一样。但其大部分产品最多只能管理4只串联的单体电池。应用bq29330和bq20z90两个型号的集成电路可以搭建出一套完整的BMS，这种电路的优点如下：
1）应用了当今商业可应用的最优秀的算法实现了对锂离子电池的管理。
2）辅助集成电路可以为电池提供强有力保护。
3）几乎不需要额外的组件。
4）可应用电路板上的组件对单体电池进行均衡管理（也可应用外部负载）。
5）具有超过1%精度的估算特性（在SOC和DOD的计算上）。
6）包含一个SMB串行接口。
这种电路的缺点是均衡电流非常小。虽然可以通过应用外部MOSFET来增大电流，但是实际上并没有足够的引脚来驱动MOSFET，因此其均衡特性受到限制。
2008年以来，TI公司的应用工程师们不再建议客户将这两种集成电路强行应用于大容量电池组中，因为这样使用的效果并不是很好。Vectrix摩托车使用的是26650型磷酸铁锂离子电池，每4个单体电池经串联后形成一个小容量电池组，使用TI公司的集成电路进行管理，为了弥补TI公司集成电路均衡效果不理想的缺点，在每个电池上又增加了一个调节器，同时为便于对这些调节器进行管理，又增加了一个主控制器，但是即使这样，也没有得到令人满意的结果。这种集成电路只在为其专门设计的电路条件下才能表现出最佳的特性，即适用于小容量4个电池串联的电池组，但它非常不适用于大容量电池组。尽管理论上，用户可以基于该集成电路集通过设置从属电路的方式来对4个串联电池进行管理，但是在实际应用中，同样会有如下的限制：
1）所有的TI公司集成电路都应用了相同的I2CID，因此它们不能安装在同一条母线上。需要引入多路复用器，从而保证主控制器每次可以和一个从属集成电路进行数据通信。
2）每一个集成电路都需要配备一个小电流感应电阻，并且为了保证它能在单独的大电流传感器下正常工作，还需要跳过很多环节。
3）在大容量电池组中，主控制器通过单独的大电流传感器来对电流进行测量。但是该芯片集并不知道测得的电流是什么，因此该芯片集可以估算电池状态的精密算法就变得毫无用处。
4）一些用户可能会通过为每个单体电池增加电流传感器和从电路的方式来激活这些算法，这也就意味着芯片需要与小电阻分流器并用，但这些芯片是无法与大型分流器并用的。此外，每个从电路的电流分流器会造成令人无法接受的损耗。
5）每个从属单元都具有自己独特的控制方法，因此主控制器与从属单元之间可能无法很好地协同工作。例如，因为芯片中并没有对于外部负载控制的预先设定，主控制器无法对均衡负载进行直接控制。因此不推荐在大容量电池组的电池管理系统中，应用此芯片集。
6.TI公司生产的bg78PL114/bg76PL102
TI公司生产的bg78PL114/bg76PL102是包含主动均衡功能并用于商业化的BMS芯片集。bg78PL114芯片至多可以管理4个单体电池。通过增加一个或更多bg76PL102芯片（每个可以管理2个单体电池）的方法，最多可以管理12个串联的单体电池。
此芯片集的优点主要如下：
1）主动均衡采用两个MOSFET和一个LC装置，在某个电池和与它相邻的两个电池之间进行能量传递。
2）目前商业可用的、最优的锂离子电池管理算法。
3）优于1%精度的估算特性（在SOC和DOD的计算上）。
4）SBM串行接口（可以扩展到用于笔记本计算机的电池的1ZC标准）。
TI公司的应用工程师或许会使用户相信这个芯片集是大容量电池组管理系统的理想选择。该芯片集在为其专门设计的电路条件下工作时，效果还是很好的：适用于小容量、由12个串联电池组成的电池组，且具有主动均衡功能。但它并不适用于大容量电池组的管理系统。然而，用户或许在理论上可以基于这个芯片集进行从属单元设置，这样，每个芯片就可以管理12个串联的单体电池。这样会遇到bq29330和bg20z90芯片集等类似的全部限制，主动均衡电路可以在一个从属单元管理的12个单体电池之间进行电荷传递，但无法在相邻的从属单元间进行，这将会导致电池组间的不均衡。
对于这一点限制的解决方案：用户可以在保持不平衡的状态下对电量最多的电池组进行再均衡管理，通过主动均衡电路效率不高的特点，对其进行能量释放。当然，这将会消耗掉与被动均衡电路相同的电能，其均衡控制时间还会长于被动均衡电路。