BMS電池管理系統(tǒng)的作用有什么?如何設(shè)計電池管理系統(tǒng) (BMS)

BMS電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）是電動汽車、儲能系統(tǒng)等電池應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。它的作用主要包括以下幾個方面：

1. 電池狀態(tài)監(jiān)測

BMS可以實時監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)參數(shù)，以確保電池在安全、高效的狀態(tài)下運行。通過對電池狀態(tài)的實時監(jiān)測，BMS可以及時發(fā)現(xiàn)電池的異常情況，如過充、過放、過熱等，從而避免電池?fù)p壞或發(fā)生安全事故。

2. 電池充放電管理

BMS可以根據(jù)電池的特性和使用環(huán)境，制定合理的充放電策略，以延長電池的使用壽命。例如，在充電過程中，BMS可以控制充電電流和電壓，避免電池過充；在放電過程中，BMS可以控制放電電流，避免電池過放。此外，BMS還可以根據(jù)電池的SOC（State of Charge，電池剩余電量）和SOH（State of Health，電池健康狀態(tài)）等參數(shù)，調(diào)整充放電策略，以實現(xiàn)電池的最佳性能。

3. 電池均衡管理

在電池組中，由于電池單體之間的差異，可能會導(dǎo)致電池的不一致性。BMS可以通過電池均衡技術(shù)，調(diào)整電池單體之間的電壓和容量，以實現(xiàn)電池組的一致性。電池均衡技術(shù)主要包括主動均衡和被動均衡兩種方式。主動均衡是通過調(diào)整電池單體之間的電流，使電池單體的電壓和容量趨于一致；被動均衡是通過消耗電池單體中多余的能量，使電池單體的電壓和容量趨于一致。

4. 電池?zé)峁芾?/li>

電池在充放電過程中會產(chǎn)生熱量，過高的溫度會影響電池的性能和壽命。BMS可以通過熱管理技術(shù)，控制電池的溫度，以保證電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。熱管理技術(shù)主要包括空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等方式。空氣冷卻是通過風(fēng)扇等設(shè)備，將電池產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去；液體冷卻是通過冷卻液循環(huán)，將電池產(chǎn)生的熱量帶走；相變材料冷卻是通過相變材料吸收和釋放熱量，實現(xiàn)電池溫度的控制。

5. 電池故障診斷與保護(hù)

BMS可以對電池的故障進(jìn)行診斷和保護(hù)，以確保電池系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。當(dāng)BMS檢測到電池的異常情況時，如過充、過放、過熱等，它會立即采取措施，如切斷電源、降低充放電電流等，以保護(hù)電池免受損壞。此外，BMS還可以通過故障記錄和報警功能，提醒用戶及時處理電池故障。

6. 電池數(shù)據(jù)記錄與分析

BMS可以記錄電池的運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、SOC、SOH等，以便于對電池的性能和狀態(tài)進(jìn)行分析。通過對電池數(shù)據(jù)的分析，可以了解電池的使用情況，預(yù)測電池的壽命，為電池的維護(hù)和更換提供依據(jù)。此外，電池數(shù)據(jù)還可以用于電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，提高電池管理系統(tǒng)的性能和可靠性。

7. 電池與系統(tǒng)的通信與控制

BMS可以與電動汽車、儲能系統(tǒng)等電池應(yīng)用的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)電池與系統(tǒng)的協(xié)同控制。通過與系統(tǒng)的通信，BMS可以接收系統(tǒng)的控制指令，如充放電請求、功率限制等，以實現(xiàn)電池與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。同時，BMS還可以向系統(tǒng)提供電池的狀態(tài)信息，如SOC、SOH等，以便于系統(tǒng)對電池進(jìn)行合理的調(diào)度和管理。

8. 電池回收與再利用

隨著電池的使用壽命逐漸減少，電池回收和再利用成為了一個重要的問題。BMS可以通過對電池的監(jiān)測和管理，為電池的回收和再利用提供支持。例如，BMS可以記錄電池的使用歷史和性能變化，為電池的評估和分類提供依據(jù)；BMS還可以通過電池均衡技術(shù)，提高電池組的一致性，為電池的再利用創(chuàng)造條件。

如何設(shè)計電池管理系統(tǒng) (BMS)

電池管理系統(tǒng) （BMS）可以監(jiān)測電池和可能產(chǎn)生的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減、甚至可能危害用戶或周圍環(huán)境的情況。

BMS 同時負(fù)責(zé)提供精確的電池充電狀態(tài) （SOC）和健康狀況（SOH） 估計，以確保在電池的整個生命周期內(nèi)提供豐富的信息以及安全的用戶體驗。

設(shè)計恰當(dāng)?shù)?BMS不僅就安全而言至關(guān)重要，也是提升客戶滿意度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1：BMS結(jié)構(gòu)

AFE 為 MCU 和電量計提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上更接近電池，因此建議斷路器也由AFE控制；一旦發(fā)生故障，斷路器會將電池與系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚅_。

電量計 IC 從 AFE 獲取讀數(shù)，然后使用復(fù)雜的電池建模和高級算法來估算一些關(guān)鍵參數(shù)，例如充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀況 （SOH）。與 AFE類似，電量計的部分任務(wù)也可以包含在 MCU 代碼中；但使用專用電量計 IC（例如 MPS 的 MPF4279x 電量計系列）擁有更多的優(yōu)勢，如下所列：

高效設(shè)計：通過使用專用IC 運行復(fù)雜的電量計算法，設(shè)計人員可以采用較低規(guī)格的MCU，從而降低總體成本和電流消耗。

提高洞察力和安全性：專用電量計可以測量電池組中每個串聯(lián)電池的 SOC 和SOH，從而實現(xiàn)更高的測量精度，并提供電池生命周期內(nèi)的老化檢測。老化檢測非常重要，因為電池阻抗和容量會隨著時間的推移而發(fā)散，從而影響運行時間和安全性。

快速上市：電量計 IC 通常已針對各種情況和測試用例進(jìn)行了全面測試。這可以減少測試復(fù)雜算法的時間與成本，同時加快上市時間。

提高充電狀態(tài)（SOC） 和健康狀況 （SOH） 精確度

設(shè)計精確 BMS 的主要目標(biāo)是實現(xiàn)電池組 SOC（剩余運行時間/完整范圍）和 SOH（壽命和狀況）的精確計算。BMS設(shè)計人員可能認(rèn)為，實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法就是使用具有精確電池電壓測量容差且非常昂貴的AFE。實際上，AFE只是影響整體計算精度的一個因素。最重要的因素是電量計電池模型和電量計的算法，其次才是 AFE為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

電量計通常采用內(nèi)部算法運行復(fù)雜的計算，它分析電壓、電流和溫度測量值與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系，然后再將這些測量值轉(zhuǎn)換為 SOC 和 SOH輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負(fù)載條件下對電池進(jìn)行表征生成的，它以數(shù)學(xué)方式定義其開路電壓以及電阻和電容組件?；陔姵啬Ｐ?，電量計算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同運行條件下的變化計算出最佳SOC。因此，如果電量計的電池模型或算法不夠精確，則無論 AFE 測量精度多高，計算結(jié)果都是不精確的。換言之，采用高精度電量計對 BMS 的 SOC
精度影響最大。

電壓電流同步讀取

盡管絕大多數(shù) AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC，但并非所有 AFE都能為每個電池提供實際的同步電流和電壓測量。電壓-電流同步讀取功能可以實現(xiàn)電量計對電池等效串聯(lián)電阻 （ESR）的精確估算。由于 ESR會隨著不同工作條件和時間而變化，因此，實時估算 ESR才能實現(xiàn)更精確的 SOC 估算。

圖 2 顯示出同步讀取的SOC 誤差明顯低于非同步讀取產(chǎn)生的誤差，尤其是在幾個放電周期之后，差別更加明顯。以下結(jié)果通過集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791獲得。

圖 2：同步讀取和非同步讀取的 SOC 誤差比較

AFE 直接故障控制

如前所述，AFE 在 BMS 中最重要的任務(wù)是保護(hù)管理。AFE可以直接控制保護(hù)電路，在檢測到故障時保護(hù)系統(tǒng)和電池。有些系統(tǒng)則通過MCU實現(xiàn)故障控制，但這樣設(shè)計響應(yīng)時間較長，而且需要 MCU提供更多資源，從而增加了固件的復(fù)雜性。

高級 AFE 通過其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測故障情況。它通過打開保護(hù) MOSFET 對故障做出反應(yīng)，確保真正的硬件保護(hù)。而且，AFE都已經(jīng)過全面測試，可以輕松保障穩(wěn)健的安全系統(tǒng)。采用這種方式，MCU 可以作為二級保護(hù)機(jī)制以實現(xiàn)更高級別的安全性和穩(wěn)健性。

MPS的MP279x 系列產(chǎn)品同時集成了這兩種形式的保護(hù)控制。設(shè)計人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

高邊電池保護(hù)與低邊電池保護(hù)

在BMS設(shè)計中，電池保護(hù)斷路器的放置位置非常重要。這些電路通常采用 N 溝道 MOSFET 實現(xiàn)，因為它比 P 溝道 MOSFET具有更低的內(nèi)阻。斷路器可以放置在高邊（電池的正極），或者低邊（電池的負(fù)極）。

高邊架構(gòu)可確保始終良好的接地 （GND） 參考，從而避免出現(xiàn)短路時的潛在安全和通信故障。此外，干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號的波動，這是MCU 精確操作的關(guān)鍵所在。

不過，當(dāng) N 溝道 MOSFET 置于電池正極時，其柵極驅(qū)動電壓需高于電池組電壓，這對設(shè)計是個挑戰(zhàn)。將專用電荷泵集成到 AFE中是常用的高邊架構(gòu)，但這會增加總成本和 IC 電流消耗。

低邊配置不需要電荷泵，因為保護(hù) MOSFET 位于電池的負(fù)極。但在低邊配置中實現(xiàn)有效通信更加困難，因為當(dāng)保護(hù)開啟時沒有 GND 參考。

MP279x 系列產(chǎn)品采用高邊架構(gòu)，在提供強(qiáng)大保護(hù)功能的同時也能最大限度地減少 BOM。此外，高精度電荷泵控制還支持 N 溝道 MOSFET軟導(dǎo)通功能，它無需任何額外的預(yù)充電電路，這進(jìn)一步將 BOM 尺寸與成本降至很低。軟導(dǎo)通通過緩慢增加保護(hù) FET的柵極電壓來實現(xiàn)，它允許小電流流過保護(hù)器件以對負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電（見圖 3）。通過配置幾個參數(shù)可確保安全的過渡，例如最大允許電流，或直到保護(hù) FET關(guān)斷而無觸發(fā)故障的時間。

圖 3：MP279x 系列的軟導(dǎo)通方案

延長電池壽命的電池均衡功能

為大型系統(tǒng)（例如電動自行車或儲能設(shè)備）供電的電池組通常由多個串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個電池理論上應(yīng)該是相同的，但由于制造公差和化學(xué)差異，每個電池的行為又通常略有不同。隨著時間的推移，在不同的操作條件和老化情況下，這些差異會變得更加顯著，可能限制其可用容量或潛在地?fù)p壞電池，從而嚴(yán)重影響電池性能。為避免產(chǎn)生這些危險，通過電池均衡定期均衡串聯(lián)電池的電壓至關(guān)重要。

被動均衡是均衡電池電壓最常用的方法，它需要對電量較多的電池進(jìn)行放電，直到所有單電池都擁有均等的電荷。MP279x 系列AFE中的被動電池均衡功能可以在外部或者內(nèi)部完成。外部均衡允許較大的均衡電流，但也會增加 BOM（見圖 4）。

圖 4：外部電池均衡

內(nèi)部均衡則不會增加 BOM，但由于散熱問題，它通常會將均衡電流限制在一個較低的值（見圖 5）。
在選擇內(nèi)部均衡還是外部均衡時，需要考量外部硬件成本和目標(biāo)均衡電流。

圖 5：內(nèi)部電池均衡

電池均衡的另一個重要因素是物理連接。例如，MP279x AFE 系列使用相同的引腳進(jìn)行電壓采樣和均衡。這極大地減小了 IC尺寸，但也意味著不能同時均衡連續(xù)的電池，因此增加了完成電池均衡所需的時間。采用專用均衡引腳可節(jié)約均衡時間，但卻會顯著增加IC 尺寸和總成本。

總之，BMS電池管理系統(tǒng)在電池應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對電池的監(jiān)測、管理、保護(hù)和優(yōu)化，BMS可以提高電池的性能和壽命，確保電池系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，為電動汽車、儲能系統(tǒng)等電池應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，BMS電池管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將具有更加廣闊的前景。