电池管理系统（BMS）到底在管理哪些东西？

一、什么是BMS？

BMS是Battery Management System首字母缩写，电池管理系统。它是配合监控储能电池状态的装置，主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，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。一般BMS表现为一块电路板，即BMS保护板，或者一个硬件盒子。

BMS保护板

BMS保护盒

BMS保护板或者BMS保护盒子通过采样线、镍片等与电芯组成的pack连接，通过对系统状态的实时监控，达到管理电池组的目的。

二、BMS系统组成

BMS总成包括电池组、线束、结构件、BMS保护板等组件组成，其中电池组是由一系列单体电芯组合而来，通常单体电芯电压、容量都较低，如果想得到更高电压平台和更大容量的电池包，就需要多个电芯组合。

组合方式有以下两种：

• 1、先串后并
• 2、先并后串

电池串联: 电压相加，容量不变，内阻增大。

电池并联: 电压不变，容量相加，内阻减小，可供电时间延长。

成组示意图（图片来源：知乎 锂离子电池应用）：

多支电芯串并联之后得到一个电池包，电池包用热缩膜、或者结构件包装起来，此时的电池包是有一定危险性的，就需要BMS保护板来避免这些危险。

可以看到下面的这个电池包是36V@6Ah 10S3P的，首先10S3P，代表10串3并，单体电芯电压标称3.6V，10串也即36V，单体2Ah，3并也即6Ah。

image

三、BMS架构

目前BMS架构主要分为集中式架构和分布式架构（图片来源：知乎安森德ASDsemi）

1、集中式架构

简单来说，集中式BMS将所有电芯统一用一个BMS硬件采集，适用于电芯少的场景。

集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、总压低、电池系统体积小的场景中，如电动工具、机器人（搬运机器人、助力机器人）、IOT智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车。

2、分布式架构

目前行业内分布式BMS的各种术语五花八门，不同的公司，不同的叫法。动力电池BMS大多是主从两层架构：

储能BMS则因为电池组规模庞大，大多都是三层架构，在从控、主控之上，还有一层总控。

image

四、BMS管理哪些东西？

从上图中可以看出，与BMS相关的几大块，电压、电流、温度、均衡，信息等，BMS保护板通过采集电压、电流、温度等信息，评估BMS当前状态。

1、信息采集

• 1.1、电压采集

电压采集分为总电压采集和单电芯电压采集

• 1.2、电流采集

电流分为充电电流、放电电流、短路电流，通过采样电阻采集

• 1.3、温度采集

温度采集主要分为电芯温度采集和功率回路温度采集，电芯温度一般采用线式NTC

功率端子一般采用贴片NTC电阻

2、SOX算法估算

SOX包括SOC、SOE和SOP

• 2.1、SOC估计方法

传统方法：安时积分法、开路电压法

基于电池模型的方法：卡尔曼滤波法、粒子滤波算法

神经网络算法：神经网络算法

• 2.2、SOP算法：

根据电池的SOC和温度，查表确定最大持续充放电功率和最大瞬时充放电功率。

电芯的去极化速度，决定当前最大功率使用的频率。当SEI膜表面的Li 离子堆积速度大于负极的吸收速度时候，就会发生电压下降，最大功率无法维持。

因此，SOP的计算难点是峰值功率与持续功率如何过度？

• 2.3、SOH算法:

两点法计算SOH

根据OCV-SOC曲线确定两个准确的SOC值，并安时累积计算这两个SOC之间的累积充入或放出电量，然后计算出电池的容量，从而得到SOH。

两点法计算SOH的流程图

算法有一定难度，需要大量的数据和模型，才能比较准确的估算，这里只做简要介绍

3、安全诊断

以三元锂电池为例：

• 3.1 过流保护

过流保护分为充电过流保护和放电过流保护，一般根据功能安全的要求，分两级保护，一级保护一般为软件保护，二级为硬件保护，例如：

1级充电过流保护电流：4A

1级充电过流保护时间：4S

2级充电过流保护电流：7A

2级充电过流保护时间：1S

1级放电过流保护电流：25A

1级放电过流保护时间：4S

2级放电过流保护电流：30A

2级放电过流保护时间：0.4S

• 3.2 过压保护（过充）

过压保护发生在充电时候，分一级过压保护盒二级过压保护，例如：

1级充电过压保护电压：4200mV

1级充电过压保护时间：4S

2级充电过压保护电压：4220mV

2级充电过压保护时间：1S

• 3.3 欠压保护（过放）

欠压保护发生在放电时候，分一级欠压保护盒二级欠压保护，例如：

1级过放保护电压：2850mV

1级过放保护时间：4S

2级过放保护电压：2700mV

2级过放保护时间：1S

• 3.4 高温保护

高温保护包括充电高温保护、放电高温保护，一般只有1级，也可以设计二级保护，例如：

充电高温保护温度：50℃

充电高温保护时间：4S

放电高温保护温度：65℃

放电高温保护时间：4S

• 3.5 低温保护

低温保护包括充电低温保护、放电低温保护，一般只有1级，也可以设计二级保护，例如：

充电低温保护温度：2℃

充电低温保护时间：4S

放电低温保护温度：-18℃

放电低温保护时间：4S

• 3.6 短路保护

短路保护也可以归属到电流保护里面，短路保护对于保险丝参数的核算是非常重要的，一定要选取合适量程的保险丝。

短路保护电流：300A

短路保护时间：400uS

4、 均衡管理

均衡是BMS中非常重要的一个环节，你是不是遇到过因为某一节电芯电压异常导致电池包使用容量变少的问题问题，BMS是遵循短板效应的，因为某一节电芯的电压比较低会导致SOX的估算直接不准，明明其他电芯还有电，但是确有劲无处使，对电池包的影响还是非常大的。

关于均衡还是比较麻烦的，这里就不展开说了。

当前的均衡控制策略中，有以单体电压为控制目标参数的，也有人提出应该用SOC作为均衡控制目标参数。以单体电压为例：

首先设定一对启动和结束均衡的阈值：例如一组电池中，单体电压极值与这组电压平均值的差值达到30mV时启动均衡，5mV结束均衡。

BMS按照固定的采样周期采集单体电压，计算平均值，再计算每个单体电压与均值的差值；

如果最大的一个差值达到了30mV，BMS就需要启动均衡程序；

在均衡过程中持续步骤2，直到差值都小于5mV，结束均衡。

五、信息管理

BMS分为纯硬件BMS保护板和软件结合硬件的BMS保护板

纯硬件的BMS保护板是一组比较固定的保护参数，根据自身采集到的电压、电流、温度等状态保护与恢复，不需要MCU参与，这样的保护板也就不具备通讯信息交互的功能

而软件+硬件的方式，MCU可以对信息的实时采集并且通过can、485等通讯方式与外部交互，上传BMS保护板实时信息。

一般为了更好地分析电池过去的状态，尤其是在故障分析和算法建模的时候，需要大量的数据支撑，这时候就需要log存储功能，尽可能多的记录BMS的数据。