電池是任何電動汽車中最昂貴的部件，如果處理不當，其使用壽命會大大縮短，而且在不利條件下，它還會對汽車本身及其乘員構成安全隱患。BMS就是要確保單個電池單元的正常運作的條件，從而確保整個電池的運作。這次捷克電動汽車專家網將為我們重點介紹電池管理系統或 BMS。

電動汽車及其部件

在這篇文章中，我們將總結電池是如何設計的，并且重點關注外部環境的條件，是什么才能使電池以最佳方式工作。我們還將分析BMS 是如何設計的，它的主要功能是什么，在設計有效的 BMS 系統時未來的挑戰又是什么。

電池設計

電動汽車電池雖然說起來是一個單體，但實際上它是由數百個（有時甚至數千個）電池單體串聯或并聯組成的電池模塊。然后將這些模塊連接成一個電池組，或者大家簡稱為“一塊電池”。得益于這種布置，可以實現所需的容量和能量，同時更易于制造、安裝以及檢查和維護。更詳細地關注電池主題。

電芯、模組和電池組

每個制造商制造的電池都略有不同，使用不同的化合物，或制造不同形狀的電池。但它始終是一種鋰電池，這是我們迄今為止擁有的最高效的技術。這些電池或多或少（取決于具體的化合物）對溫度變化、過度充電或過度放電敏感，為了盡可能延長它們的壽命，需要仔細監測和控制這些量。

鋰電池也容易出現溫度泄漏，這可能是由多種錯誤引起的，例如充電過快或放電過快。下圖顯示了所謂的安全操作區。綠色方框代表鋰電池在什么條件下是安全的，工作效果最好。溫度應在 -5 至 45°C 之間，電壓應在 2 - 4 伏之間，電流應在 0-1A 之間。仔細監控并確保電池處于這個“安全操作區”是至關重要的。

BMS建設

BMS的設計在很大程度上對應于電池的設計。它由電池監控集成電路（BMIC）、電芯管理控制器（CMC）和電池管理控制器（BMC）組成。

電池管理系統

BMIC 監控單個電池單元，并且必須能夠在幾微秒內快速將情況通知 CMC，以便 CMC 或 BMC 能夠做出反應，并在必要時糾正不利情況。為了防止溫度泄漏，BMIC 需要立即注意到電池過熱，并盡快將此信息進一步發送。BMC 必須決定情況有多嚴重，如何處理，必要時必須關閉過熱的電池。而這一切都必須在眨眼之間發生。

測量的準確性和應對不利條件的能力主要取決于從 BMIC 到 CMC 和 BMC 的通信頻率，它們通信的頻率越高，它們成功解決可能存在風險的情況的機會就越大. 然而，由于電氣噪聲，在電動汽車中設計有效的通信網絡一點也不容易。

當然，在糾正之前，BMS 試圖防止任何不利情況，因此除了 BMIC、CMC 和 BMC 模塊之外，它還包含平衡不同電池能量負載的電路，這樣所有電池的工作或多或少是相同的，不會引起問題。水平問題非常重要，我們稍后會更詳細地討論它。

未使用的電池

根據電動汽車的復雜程度，可以添加多個智能微控制器來監視和控制各種特定任務。每個 BMS 不僅必須能夠監控電池，還必須能夠監控自身，并且必須能夠確定警報或提示是否真實而非虛假。

BMS基本功能

綜上所述，BMS 的功能再明顯不過了，這里我們還將稍做一些說明。

1、充放電控制

充電和放電是電池壽命中最危險的時刻。在負責，車載充電器負責將交流電轉換為直流電，然后將所需電壓發送至電池。的情況下，電流直接進入 BMS，BMS 控制充電并與直流站通信。

此功能要求整個系統智能化，因為電池本身的參數會隨時間發生變化（端子發生氧化，電芯容量發生變化等），并且充電必須始終適應它實時。

2. 判斷當前荷電狀態（State of Charge）

這是最重要的功能之一，BMS 可以借此告訴駕駛員他還能駕駛多長時間。但確定充電狀態并不像看起來那么簡單。它實際上是BMS系統開發中比較復雜的問題之一。

當前充電狀態定義為可用容量與電池總容量的比率，因此可以取 100% 到 0% 之間的任何值。由于電池的“放電”是電子流，因此似乎只能測量充電或放電量。然而，功耗受許多變量的影響，例如當前溫度、放電期間的溫度變化、當前負載等，因此要將所有這些因素都考慮在內絕非易事。

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確定正確的充電狀態值也很復雜，因為精確測量的方法要么計算過于復雜，要么不夠準確，此外，充電狀態還取決于整個電池在其使用壽命期間變化的參數，即它取決于電池的健康狀況，這更難以確定。

由于無法或極不切實際地進行精確測量，因此當前的充電狀態基于計算機電池模型。這是一個估計，雖然是一個合格的估計。在下一章中，我們將更全面地關注電池模型。

3. 健康狀況的確定

電池健康度定義為當前滿容量與0公里時電池滿容量的比值。當您購買電池時，它的健康狀況為 100%，隨著充電周期的增加而惡化。

許多研究一致認為，電池健康受溫度、電池充電電流、充電循環次數和其他主要因素的影響。然而，并非電池中的所有過程都是完全已知的，因此沒有確定電池健康狀況的精確方法。與確定充電狀態一樣，有必要依靠近似的計算機模型，這些模型考慮了內阻、電導率、自放電率、容量、充電期間接收的能量、使用期間的溫度、年齡、循環次數等。

日產聆風電池隨時間的健康狀況

到目前為止，各個制造商之間沒有確切的協議，哪些變量進入計算，哪些模型將被使用。研究和開發繼續集中關注這些主題。并且如上所述，正確確定健康狀態對于能夠盡可能準確地確定充電狀態至關重要。

4. 電荷平衡

平衡單個電池的充放電是每個BMS必須解決的最后一個難題，我們還沒有充分解決這個難題，但它實際上是整個電池壽命所依賴的最重要功能之一。每個電池的放電和充電水平相同很重要，這樣一些電池才不會過載和損壞。

沒有兩個電池是完全一樣的。有些總是有更大或更小的容量。容量稍低的電池單元放電更快，也更快被破壞，而其他電池單元的容量仍未使用。同樣，在充電過程中，最弱的電池首先充電，其他電池僅部分充電。

平衡單個電池的充電和放電從而顯著增加整體容量，因為它不僅由最弱的電池決定，而且它還保護這些較弱的電池，因此它們不會損壞、短路或泄漏，從而損壞整個電池盒。在 BMS 開發部分，我們將更深入地關注主動和被動平衡以及不同類型的拓撲。

主動和被動平衡

5.錄音與交流

與前面提到的功能相比，錄音和通訊是一個相對簡單的功能。因為電池的健康度是一個相對量，所以BMS需要存儲電池一開始的特性數據，以便與其他值進行比較。因此，它可以評估電池操作及其診斷。

同樣重要的是 BMS 與汽車其他部分（例如 或之間的通信。BMS 還確保駕駛員的顯示屏顯示他行駛了多遠或汽車何時需要充電。還可以訪問 BMS 存儲和處理的上述歷史記錄。

電池管理系統開發

為了使每個BMS系統都能正確發揮其功能，其發展需要克服幾個難題。正如我們之前所說，我們將專注于兩個。第一個是電池狀態估計。這是一個對驅動程序和系統本身及其正確管理都很重要的值。

第二個是電池單元電荷平衡。有被動和主動方法，以及需要適當設計以優化 BMS 屬性的各種主動平衡拓撲。

電池狀態估計

電池的充電狀態對于駕駛員來說是絕對重要的信息。此外，如果可以獲得準確的值，則可以延長電池的使用時間。然而，這是一個復雜的問題。我們已經解釋了為什么不能簡單地測量這個數量以及為什么我們必須依賴合格的估計。如今，存在三種基本估算方法——安時法、開路電壓 (OCV) 法和基于模型的方法。

安時法簡單易行。然而，為了使其正常運行，它需要了解健康狀況的原始知識（這也只是一種估計），并且會受到累積誤差和測量誤差的負面影響，隨著時間的推移，它變得不切實際。開路電壓測量方法也被認為是準確的。但它只有在汽車長時間休息后才能使用，因此很難在正常操作中使用。

確定電池充電狀態的各種方法

由于所有提到的缺點，基于模型的方法是最常見的解決方案。使用電壓和電流測量。將測得的電流輸入模型，并使用當前值和/或過去的值和參數計算電壓。然后將計算出的電壓和測量到的電壓之間的差異插入到能夠巧妙地更新估計狀態的算法中。

正在研究智能對數、模糊邏輯、人工神經網絡和其他可能性的使用。由于它們處理非線性函數的出色能力，這些方法可以實現非常準確的估計，但是使用這些選項所需的學習過程在計算上很復雜，因此很難在必要的應用中使用它們。

電腦電池模型

創建電池的計算機模型，然后可以根據該模型計算充電水平，這很復雜，因為它是一個強非線性系統。基本上有兩種選擇。第一種是使用電池電化學特性的電化學模型。雖然這種方法相對準確，但在實踐中計算復雜，因此使用了多個等效電路模型。這些電路模型被廣泛用于估計電池狀態，但它們的問題是不夠準確。

目前的研究主要集中在開發更精確的模型，或者以對計算要求不高的方式組合當前模型（電化學和電路），目標是最終將它們用于電動汽車。

電池芯電荷平衡

世界上沒有兩個相同的電池單元（或兩個相同的電池）。差異可能在于內阻、退化程度、容量、環境溫度等等。這些單元之間不可避免的差異會導致許多問題，并且整體容量會急劇下降。這種不平衡會導致單個電池過度放電或過度充電，這對整個電池組來說是危險的，因此單個電池之間的電荷平衡對于保持性能和延長電池壽命至關重要。

被動電荷平衡方法

被動方法意味著比其他電池具有更多能量的電池通過電阻器放電，多余的能量以熱量的形式消散。通過從更飽滿的電池中釋放多余的能量，可以輕松平衡電池組。

但是，這種方法浪費了太多的能量，也使整個電池的熱控制變得復雜。此外，在這種情況下，只有過度充電的電池才能工作，如果一個電池明顯弱于其他電池，則在平衡期間比在行駛期間釋放更多能量。

主動電荷平衡方法

主動開關電路用于主動平衡，能夠在各個電池之間傳輸能量。與被動方法不同，只會浪費少量能量。但為了實現這一點，需要在電路中內置更多的元器件，這不僅導致成本更高，而且可靠性也會降低。

平衡和非平衡電池組

主動平衡通過稱為拓撲的各種策略實現，這些策略考慮了成本、復雜性和可靠性。與往常一樣，需要權衡取舍。使用最簡單且因此最可靠的拓撲結構，一個電池只能平衡緊挨著它的另一個電池，如果不平衡的電池相距較遠，這是不夠的。

為了有效地連接所有電池，使其排列靈活，需要太多的組件，因此變得不可靠且昂貴。第三種方法允許使用少量組件和靈活性，但速度太慢而無法在實踐中發揮作用，因為兩個相鄰的電池逐漸對齊，直到實現均勻充電。

由于這是 BMS 的一項基本功能，因此投入了大量精力來設計最高效的拓撲結構并使用最佳策略，包括被動和主動平衡，并使用盡可能少的組件。我們當然可以期待這些領域會出現許多新事物。

綜上所述

BMS是電動汽車的一部分，可以保護電池免受誤用和損壞，延長電池壽命并確保電池始終處于可用狀態。

然而，每個設計總是需要平衡每個系統的價格、效率和壽命。唯一永不打折的價值是安全性。所有組件都必須符合 ISO 26262 安全標準，因此每個 BMS 都必須具有故障安全性并包含冗余資源，例如處理器單元，每個處理器單元都必須有自己的專用設備，例如內存等。

就汽車的重要性和安全性而言，BMS 絕對是電動汽車中被低估的部分，值得與電池本身同等關注。

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