電池管理系統(tǒng)（BMS）的來龍去脈

電池市場(chǎng)正在加熱。雖然電動(dòng)汽車(EV)只是故事的一部分，并且對(duì)電力儲(chǔ)存以及電動(dòng)卡車和飛機(jī)的興趣越來越大，但它們是重要的部分，也是一個(gè)很好的例子，說明了電池管理系統(tǒng)(BMS)如此必要。

電池管理系統(tǒng)是復(fù)雜的，并且監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)和紀(jì)律，例如熱輸入，電氣，液壓和控制，以確保電池對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化，安全運(yùn)行，壽命很長(zhǎng)，等等。在討論BMS工作原理的基本原理時(shí)，請(qǐng)繼續(xù)閱讀，BMS，系統(tǒng)類型和不斷變化的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)的重要性。

什么是電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)或BMS是用于監(jiān)督電池組的硬件和軟件技術(shù)的集合，該電池組合本身就是組合成模塊中的單元組組件，并將電氣組織成行和列矩陣配置。使電池管理如此具有挑戰(zhàn)性的是，電池組可以包含數(shù)百至數(shù)千個(gè)電池。這些單元需要在預(yù)期的負(fù)載方案和環(huán)境條件下在預(yù)定

圖1相鄰單元格之間的不匹配通常會(huì)在嘗試充電堆棧時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。

為了確保電池在這些不同的情況下可以運(yùn)行，BMS將監(jiān)視電池以檢測(cè)到何時(shí)發(fā)生變化，在惡劣環(huán)境中為電池提供保護(hù)，估算電池的運(yùn)行狀態(tài)，在變化條件下優(yōu)化電池的性能，向其他相關(guān)設(shè)備報(bào)告電池的操作狀態(tài)，并與外界通信。最后，它可以記錄事件數(shù)據(jù)，以便在將來的迭代中改善電池行為，性能和安全性。

例如，考慮電動(dòng)汽車中的電池。在車輛撞到道路之前，它已放在許多不同的環(huán)境中，需要啟動(dòng)和運(yùn)作。車輛可能被驅(qū)車到山脈，在冰點(diǎn)以下的溫度以下過夜。否則，在一次家庭公路旅行期間，它可能會(huì)在悶熱的條件下以悶熱的條件駛?cè)肽霞又莸牡缆?。在任何一種情況下，電池都必須將電池保存在Goldilocks溫度區(qū)域中，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和壽命。

BMS的重要性

BMS的主要好處包括功能安全性和性能。首先，讓我們討論安全。在大型電池組的操作中，需要設(shè)法進(jìn)行致命水平的電流和電壓，以確保面對(duì)不利的操作環(huán)境保持包裝的完整性。在我們上面共享的EV示例中，如果車輛通過將車輛與車輛斷開連接，則BMS對(duì)于管理電池(和駕駛員)的安全性也至關(guān)重要。

在性能方面，每個(gè)細(xì)胞都需要相對(duì)于彼此保持良好的形式。細(xì)胞不能過度充電或過度遞減，因?yàn)檫@會(huì)影響包裝的壽命。由于制造不一致之處，即使在同一工廠制造的電池組中的電池組中都沒有完全相同的電池。

盡管這些差異最初是微小的，但隨著電池的運(yùn)行，如果無法正確管理，它可以在短時(shí)間內(nèi)大幅下降。隨著某些細(xì)胞的削弱，當(dāng)他們過度充電時(shí)，它們可以在電池組中創(chuàng)建“熱點(diǎn)”。電池管理系統(tǒng)的行為就像是一個(gè)監(jiān)督委員會(huì)，以防止這種情況。

圖2 A BMS監(jiān)視每個(gè)單元格，并利用晶體管開關(guān)和適當(dāng)尺寸的放電電阻與每個(gè)單元并聯(lián)。

總體而言，電池組保護(hù)管理可確保電池可以通過積極的用法和快速充電和排放周期來照顧這些細(xì)胞，這意味著該系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并且可能會(huì)提供更多的服務(wù)。

電池管理系統(tǒng)的類型

電池管理系統(tǒng)(例如電池本身)可以簡(jiǎn)單或非常復(fù)雜，具體取決于它們的使用方式以及保護(hù)和優(yōu)化電池所需的不同方式。

盡管有許多方法可以對(duì)BMS進(jìn)行分類，但是在本文中，我們將根據(jù)它們?cè)陔姵亟M上的單元格或模塊上的安裝方式進(jìn)行分類。

· 集中式BMS體系結(jié)構(gòu)：此體系結(jié)構(gòu)的特征是電池組中的一個(gè)中央BMS，所有電池套件都連接到。集中式BM的好處包括其緊湊的性質(zhì)和較低的價(jià)格點(diǎn)。但是，該BMS需要很多端口才能與所有電池套件連接，因此維護(hù)和故障排除變得更加麻煩。

· 模塊化BMS拓?fù)洌号c上述體系結(jié)構(gòu)一樣，該BMS分為幾個(gè)重復(fù)的模塊，這些模塊連接到電池堆棧的相鄰部分。盡管模塊化BMS拓?fù)涞某杀靖哂诩惺侥K，但故障排除和維護(hù)更容易，并且擴(kuò)展到更大的電池組是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程。

· 主/下屬BMS：在此體系結(jié)構(gòu)中，下屬模塊僅限于將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髂K，而主模塊則進(jìn)行計(jì)算和處理控件以及外部通信。考慮到下屬模塊的簡(jiǎn)單功能，這種體系結(jié)構(gòu)的成本通常較低。

· 分布式BMS體系結(jié)構(gòu)：該體系結(jié)構(gòu)與上述三個(gè)架構(gòu)有很大不同，因?yàn)樗鼘⑺须娮佑布谥苯臃胖迷谡诒O(jiān)視的單元或模塊上的控制板上包含。但是，這確實(shí)使故障排除和維護(hù)更加困難，并且成本更高，因?yàn)檎麄€(gè)電池組結(jié)構(gòu)中的BMS越來越多。

BMS如何發(fā)展

在過去的幾十年中，電池管理與電池的設(shè)計(jì)方式并聯(lián)。過去，所有電池組都有單元，可以監(jiān)督所有電池組一部分的單元，一個(gè)用于子通信的本地管理單元以及與其他電池組進(jìn)行通信的交界箱。這種類型的架構(gòu)需要大量的接線和電纜。

當(dāng)今的趨勢(shì)正在朝著一個(gè)更集中的無線BMS概念邁進(jìn)，該概念減輕了較舊的體系結(jié)構(gòu)所需的大部分電纜。這不僅使維護(hù)更加容易，而且還可以從電池組中減去很多重量，這直接轉(zhuǎn)化為節(jié)能。在EV中，這可能會(huì)導(dǎo)致EV可以在需要充電之前驅(qū)動(dòng)的較大范圍并減少系統(tǒng)充電所需的時(shí)間。

我們將繼續(xù)朝著朝著的另一個(gè)趨勢(shì)是使用模擬BMS設(shè)計(jì)，因?yàn)楫?dāng)今電池的復(fù)雜程度以及硬件開發(fā)，原型制作和測(cè)試帶來的所有挑戰(zhàn)。仿真和虛擬原型制作使電池組工程師可以在設(shè)計(jì)過程中早些時(shí)候驗(yàn)證規(guī)格，當(dāng)時(shí)架構(gòu)包和電氣負(fù)載(Clock，牽引電動(dòng)機(jī)和正在進(jìn)行的充電模塊)未得到充分定義并且可能會(huì)發(fā)生變化。

軟件在車輛的操作中也越來越重要。電池管理系統(tǒng)可以受益于汽車電子數(shù)字雙胞胎，從而可以模擬從控制器硬件和軟件到完整的多域電池和電力電子設(shè)備的完整系統(tǒng)。

總之，電池的世界正在迅速發(fā)展，以跟上對(duì)電動(dòng)汽車的需求增加，可持續(xù)能源，電飛機(jī)和卡車的能源存儲(chǔ)的新創(chuàng)新，等等。電池管理系統(tǒng)正在使用現(xiàn)代電池進(jìn)行前進(jìn)，以確保最終用戶的安全性，提高這些電池的可靠性，繼續(xù)前進(jìn)范圍增加范圍并降低成本，以使電池在明天的世界中更加無處不在和有效。