引言：BMS（Battery Management System）：即電池管理系統，基于鋰離子電芯的理化特性，電池需要借助精密的電子控制系統BMS來應對各種突發狀況，BMS需要盡可能提高續航里程、降低成本和增強安全性。

1.BMS導論

一般來說24V以上的儲能產品才具有BMS的概念，而車載BMS主要負責對新能源汽車的整個電池組的工作狀態進行監測、管理和均衡，保護電池免受損壞，通過智能充電和放電算法延長電池壽命，預測電池剩余壽命并使電池保持正常運行狀態，這對電池組的使用安全、壽命、性能至關重要。新能源汽車的動力電池系統由于充電速度與續航的需求而不斷向高容量、高總壓、大體積的方面發展，因此在插電式混動、純電動車型上主要還是采用分布式架構的BMS，通過模塊化、分級式管理電池單元，隨著HEV（混合動力）和EV（純電動）的發展，車載BMS也在不斷進化。

2.BMS的組成

BMS需要實現3個不同的功能：電池SOC/SOH監測，電芯狀態監測和均衡，電池功率路徑管理，所以無論是分布式BMS還是集中式BMS，如圖1-1所示。都包含三個子模塊：多個電芯監控單元（Cell Supervis7ion unit---CSU，從控），一個電池管理控制單元（BCU主控），也叫電池監控控制器，一個電池開關單元（BDU），也叫電池接線盒，這三個模塊用來實現上述三個功能。

圖1-1：典型的BMS架構

圖1-2給出了一種環形菊花鏈拓撲結構的高壓電池包BMS示例，其中BJB部分區別于 圖1-1 ，采用了智能接線盒設計。

圖1-2：環形菊花鏈拓撲的高壓電池包BMS

這些子系統具有不同的行業名稱，如表1-1中所列：

表1-1：BMS 子系統在業內的常見首字母縮寫詞

在分布式BMS系統中，CSC負責電池組單體的電壓檢測、溫度檢測、均衡管理以及相應的診斷，每個CSC模塊包含一個模擬前端芯片(Analog Front End，AFE）芯片。而BMC（BMU）是BMS的大腦，包含一個MCU芯片負責計算電池健康狀態（State of Heath，SOH）與荷電狀態（State of Charge，SOC），利用CSC和BJB測量的電池精確數據做出判斷與決定，以確保電池的安全性和提高性能，還可以協調BMS的電池均衡功能。傳統的BJB主要作為一個機電箱，其中設有分流器、接觸器和高溫熔斷器，是高壓電池和動力傳動系統之間的連接。

3.BMS的結構

根據管理架構分類，BMS產品主要有三種類型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。由于分布式管理架構可復制性高，可應用于多種不同的車型電池包。被動均衡管理由于成本低、復雜度和故障率低，被廣泛運用，但主動均衡管理效率較高，均衡電流大，能量耗散少，隨著熱風險和電路復雜逐漸克服，BMS逐漸向主動均衡管理過渡。此外，集成化、通用化、智能化也是BMS未來技術發展趨勢。根據管理架構分類，BMS產品主要有三種類型：集中式BMS、分布式BMS和半集中式BMS。

集中式

集中式就是將整個BMS設計在一個PCBA內，引出導線連接接到各個電芯上，如圖1-3所示，如果是36串電池，就需要兩枚支持18串的電池管理芯片，串數越多，所需芯片也越多，由于功能集成在一起，接線會更加復雜和冗長。

圖1-3：集中式BMS

集中式的優點非常明顯，首先是結構緊湊，往往就是一個盒子，成本也有優勢，維護比較簡單，往往整體更換就可以。缺點就是擴展性差，一個產品定型了想要擴展就得重新設計，其次就是安全隱患，因為線束過多過長，整體損耗也會比較大，監控采集精度也會下降，帶來一系列安全隱患問題。

半集中式（ 模塊式 ）

圖1-4：半集中--->模塊式BMS

模塊式的BMS被分成很多相同的子模塊，每個BMS板的導線連接整個電池內部不同的部位，監測某一塊區域，雖然是功能相同的模塊，但是其實也會有一個模塊被分配作為主模塊，用來管理調度整個電池包并且負責跟外界通訊，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，它的優勢在于：

1：因為它相當于將集中的BMS小型化，多個級聯，所以擁有集中式的大多數優點，維護方便，成本較低。

2：由于單個BMS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。

3：易于擴展，增加更多的子模塊來實現擴展。

缺點在于需要增加額外的導線，相比于集中式，每個模塊需要跟電池組連接，每個模塊之間也需要導線連接。其次就是成本較高，主要的原因是每個模塊的功能是一樣的，但是并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，其實用到的功能并不多，這種結構不是特別合理，于是就有了后面的主從式。

半集中式（主從式）

如圖1-5所示，主從式BMS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，減少成本。主BMS負責的功能相對較多，有計算，預測，決策，通信等，從單元基本上就是只負責測量。這樣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。

圖1-5：半集中--->主從式BMS

分布式

在集中式和半集中式拓撲結構中，各種電子器件都不會安裝在單體電芯上，基本上都是通過引線過去測量。但在分布式系統中，如圖1-6所示，CSU測量單元和其他的電子設備直接安裝到和單體電芯一體的電路板中，這樣的好處是，與前邊幾個相比，BMS與單體電芯之間基本沒有引線，然后和主從式相似的是它也會有一個控制器來負責運算，預測，決策等工作。模塊之間基于總線進行通訊，在汽車上一般用CAN總線。

圖1-6：分布式BMS

分布式的優勢有很多：首先就是擁有極高的擴展性，可以精細到單體電芯的擴展。其次是連接可靠性高，基本沒有什么過長的線纜，電芯和測量電路結合緊密，也減小了干擾和誤差，安全性也很高，同時也易于維護，局部損壞只需要更換一個很小的單元。表1-2總結了三種結構的優缺點。

表1-2：三種BMS樣式對比

4.BMS和電池的理化性質

鋰離子指一系列和Li+的化學物質，但它最終構成基于金屬氧化物陰極和石墨陽極充電和放電反應的電池，兩種較為常見的鋰離子化學物質是鎳錳鈷 (NMC---三元) 和磷酸鐵鋰 (LFP)。

NMC是主要的化學物質，它具有出色的能量密度，對續航里程有直接影響，但是鎳和鈷很稀有，難以從地球上提取。雖然LFP相比NMC能量密度較低，但不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素，因此具有顯著的成本優勢。

LFP還具有較長的生命周期，因此可延長電池的使用壽命。與鎳和鈷電池相比，LFP電池也更穩定，更不容易起火，需要的保護更少。因此LFP和NMC基于各自的優點，已成為長續航汽車領域的兩駕馬車。

因為LFP具有非常平緩的放電曲線，所以需要十分精確的電池監測技術。與此同時，成本更低的鈉離子電芯未來會與LFP競爭。與使用液態電解液的傳統鋰離子電池不同，固態電池使用由玻璃、陶瓷、固態聚合物或硫化物組成的固體電解液，鑒于固態電池固有的性能優勢：更高的能量密度、更高的可靠性和抗老化特性、更快的充電速度以及更高的安全性，多家汽車制造商正在開展固態電池研究。液態電解液在高溫下會變得易燃，但固態電解液具有更高的熱穩定性，進而降低火災或爆炸的風險。