解析BMS：电池管理系统的基础功能与应用

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BMS的中文名称为电池管理系统，也被称为电池保姆或是电池的管家，主要用于监控和管理电池储能单元，是储能电池中不可或缺的重要组成部分。BMS主要采用三级架构，电池总控单元（System），电池主控单元(Master)，电池信息监测单元（Slave）。

 

一、基础知识普及

 

1. 开路电压：电池在断路时电池两极的电极电位之差。开路电压是一个实际测量的值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄电池为2.1V电动势＞开路电压电池的电动势或开路电压值取决于所组成电池的电极材料与电解质的活度和放电的温度，与电池的几何形状和尺寸大小无关。

2. 额定电压：在规定条件下电池工作的标准电压。用来区分电池体系。如：铅酸电池：2.0V镉镍电池：1.2V氢镍电池：1.2V锌锰电池：1.5V锂离子电池：3.6-3.8V。

3. 放电终止电压：指放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。为人为规定的值。例如：锂离子电池充电时，终止电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。

4. 工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压。

电池放电电压的变化与放电制度有关，即放电曲线的变化还受放电制度的影响，包括：放电电流，放电温度，放电终止电压；间歇还是连续放电。

放电电流越大，工作电压下降越快；随放电温度的增加，放电曲线变化较平缓；对于二次电池，放电电压低于规定的终止电压叫做过放电，过放电常常会影响到蓄电池的循环寿命。恒阻放电恒流放电恒流放电连续放电间歇放电。

5. 能量和比能量：电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。

       a.理论能量电池的放电过程处于平衡状态，放电电压保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100％，在此条件下电池的输出能量为理论能量(W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功(W0=C0E)。

       b.实际能量电池放电时实际输出的能量称为实际能量。电池放电时实际输出的能量称为实际能量。

      c.比能量单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或wh/L。

6. 电池容量：指一定放电制度下（在一定的I放，T放，V终），电池所给出的电量。表征电池储存能量的能力，单位是Ah或C。容量受很多引素的影响，如：放电电流、放电温度等。容量大小是由正负极中活性物质的数量多少来决定的。

理论容量：活性物质全部参加反应所给出的容量。实际容量：在一定的放电制度下实际放出的容量。

额定容量：又称公称容量，指电池在设计的放电条件下，电池保证给出的最低电量。在实际应用中，电池容量＝正极容量比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比容量概念。

比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。通常计算方法为：

电池首次放电容量/（活性物质量*活性物质利用率）

影响电池容量的因素：

      a. 电池的放电速度(通常以电流强度mA来表示)：电流越大，输出的容量减少；

      b.电池的放电温度：温度降低，输出容量减少；

      c.电池的放电终止电压：是由用电器以及电池反应本身的限定来设定的，例如：充电时，终止电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。

      d.电池的贮存时间：电池经过长时间贮存后，电池的放电容量会相应减少。

7. 功率和比功率：电池在一定放电条件下，单位时间所输出的能量，用P表示，单位为W。理论功率实际功率实际比能量质量比能量比能量理论比能量体积比能量功率是电池的重要性能，它表示电池放电速率的大小，电池的功率越大，电池可以大电流或高速放电。

8. 电池的自放电：是指电池没有负载时电池容量自行降低的现象。主要是电极材料自发发生了氧化还原反应；在两个电极中，负极的自放电是主要的，自放电使活性物质白白被消耗。电池自放电与电池贮存性能有很密切的关系。

电池在贮存时贮存性能一定要好，贮存时要求自放电小，不能出现漏液或爬碱。各种电池的存储方式：满电荷存储、部分电荷储存、放电状态存储。自放电与温度的关系曲线：自放电与温度的关系曲线 

9. SOC和DOD：SOC（State of Charge）－为荷电状态，表示电池剩余容量与总容量的百分比。DOD（Depth of Discharge ）－为放电深度，表示放电程度的一种量度，为放电容量与总放电容量的百分比。放电深度的高低和二次电池的寿命有很大的关系：放电深度越深，其寿命就越短。

10. 放电时率及放电倍率：是一种表达电池放电电流大小的方法。放电时率：指在规定的放电时间内，电池放出全部额定容量。放电倍率：指放电电流为电池额定容量的某一个倍数。

放电时率×放电倍率＝11C5—电池5小时率的容量，即电池5小时放电的全部容量。单位Ah或mAh0.5C---电池以0.5倍容量的电流放电,单位：A或mA例如：某电池的额定容量为1Ah,用0.5C放电时的电流即为0.5A

 

二、BMS（Battery Management System）

 

1. 概述

电池管理系统是电池与用户之间的纽带主要对象是二次电池。 

二次电池存在下面的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。 

电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。

2. 主要涵盖以下几个功能 ：

① 电池工作状态监控：主要指在电池的工作过程中，对电池的电压，温度，工作电流，电池电量等一系列电池相关参数进行实时监测或计算，并根据这些参数判断目前电池的状态，以进行相应的操作，防止电池的过充或过放。 

② 电池充放电管理：在电池的充电或放电的过程中，根据环境状态，电池状态等相关参数对电池的充电或放电进行管理，设置电池的最佳充电或放电曲线（如充电电流，充电上限电压值，放电下限电压值等） 

③ 单体电池间均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡器是电池管理系统的核心部件，但目前国内在这方面的技术还不成熟。

注：目前很多电动汽车上都会专门区分BMS和BBS（BATTERY BALANCE SYSTEM），这很容易让人产生一种误解，觉得是两个各自独立的部件，实际上是一种从属关系。且当前国内汽车上在充放电管理和均衡器这两个部分的功能上比较弱，BMS实际上仅仅是进行电量的计算和实现一个过欠压（组与单体）保护及通信的功能。

3. 电池管理系统主要包括以下几个部分：

① 信号采集模块：主要用于对电池组电压，充电电流，放电电流，单体电压，电池温度，等参数进行采集。通常采用隔离处理的方式。（除温度信号） 

② 电池保护电路模块：通常这部分是采用软件控制一些外部器件来实现的。如通过信号控制继电器的通断来允许或禁止充放电设备或电池的工作以实现对电池保护。 

③ 均衡电路模块：主要用于对电池组单体电压的采集，并进行单体间的均衡充电使组中各电池达到均衡一致的状态。目前主要有主动均衡和被动均衡两种均衡方式。（实在想不出来还会有第三种么？）也可称之为无损均衡和有损均衡。 

④ 下位机模块：信号处理，控制。通讯。

4. 充电特性

 

 

充电特性曲线

铁锂放电曲线

放电容量/mAh

5. 系统框图

6. 能量流向图

7. 常用的方式

8. 电池组寿命的困境

 

   

 

9. 各均衡方案优缺点对比

① 被动均衡方式

- 优点：电路结构简单，成本较低。

- 缺点：只能做充电均衡。同时，在充电均衡过程中，多余的能量是作为热量释放掉的，使得整个系统的效率低、功耗高，均衡电流50mA。

- BMS应用：电动自行车、电摩。

② 飞度电容方案

- 优点：成本低，结构简单，主动式能量利用率高。

- 缺点：均衡效率有限，是把电容作为能量传递的载体。该方案可以实现能量在电池组任意两个单体之间的直接转移。由于均衡电流受电容电压与电池组中单体电压之差的限制，随着均衡过程的进行，均衡速度会越来越慢，量产均衡电流300mA左右。

③ 储能电感方案

- 优点：主动式能量利用率高，均衡效果大于电容方案，量产均衡电流5A。

- 缺点：只能在相邻的两节之间转移能量；成本偏高，结构复杂DC/DC单向均衡：均衡性能有限，目前量产均衡电流可以到1ADC/DC双向均衡：均衡效果理想，成本高，结构复杂，适用于大型动力电池或储能站电池，目前量产均衡电流可以到5A。