發布日期：2023-06-15 點擊率：354
BMS全稱是Battery Management System，電池管理系統。它是配合監控儲能電池狀態的設備，主要就是為了智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。一般BMS表現為一塊電路板，或者一個硬件盒子。
BMS是電池儲能系統的核心子系統之一，負責監控電池儲能單元內各電池運行狀態，保障儲能單元安全可靠運行。BMS能夠實時監控、采集儲能電池的狀態參數（包括但不限于單體電池電壓、電池極柱溫度、電池回路電流、電池組端電壓、電池系統絕緣電阻等），并對相關狀態參數進行必要的分析計算，得到更多的系統狀態評估參數，并根據特定保護控制策略實現對儲能電池本體的有效管控，保證整個電池儲能單元的安全可靠運行。同時BMS可以通過自身的通信接口、模擬/數字輸入輸入接口與外部其他設備（PCS、EMS、消防系統等）進行信息交互，形成整個儲能電站內各子系統的聯動控制，確保電站安全、可靠、高效并網運行。
從拓撲架構上看，BMS根據不同項目需求分為了集中式（Centralized）和分布式（Distributed）兩類。
集中式BMS
簡單來說，集中式BMS將所有電芯統一用一個BMS硬件采集，適用于電芯少的場景。
集中式BMS具有成本低、結構緊湊、可靠性高的優點，一般常見于容量低、總壓低、電池系統體積小的場景中，如電動工具、機器人（搬運機器人、助力機器人）、IOT智能家居（掃地機器人、電動吸塵器）、電動叉車、電動低速車（電動自行車、電動摩托、電動觀光車、電動巡邏車、電動高爾夫球車等）、輕混合動力汽車。
集中式架構的BMS硬件可分為高壓區域和低壓區域。高壓區域負責進行單體電池電壓的采集、系統總壓的采集、絕緣電阻的監測。低壓區域包括了供電電路、CPU電路、CAN通信電路、控制電路等。
隨著乘用車動力電池系統不斷向高容量、高總壓、大體積的方面發展，在插電式混動、純電動車型上主要還是采用分布式架構的BMS。
分布式BMS
目前行業內分布式BMS的各種術語五花八門，不同的公司，不同的叫法。動力電池BMS大多是主從兩層架構：
儲能BMS則因為電池組規模龐大，大多都是三層架構，在從控、主控之上，還有一層總控。
就像電池構成電池簇、電池簇構成電堆；三層BMS中也遵循這樣層層向上的規律：
從控：電池單體管理單元：BMU（battery module unit，大多都叫BMU，也有的叫CSC/CSU），采集單體電池信息。
監測電池單體電壓、溫度
包內電池均衡
信息上送
熱管理
異常報警
主控：電池簇管理單元：BCU（battery cluster unit，也有高壓管理單元HVU、BCMU等等），負責收集BMU信息，并采集電池簇信息。
電池簇電流采集，總電壓采集，漏電檢測
電池狀態異常時斷電保護
在BMS的管理下可單獨完成容量標定和SOC標定，作為后續充放電管理的依據
總控：電池陣列管理單元：BAU（battery array unit，也有叫BAMS、MBMS等等），對整個儲能電池堆的電池進行集中管理。向下連接各個電池簇管理單元，向上與其他設備信息交互，反饋電池陣列的運行狀態信息。
電池陣列的充放電管理
BMS系統自檢與故障診斷報警
電池組故障診斷報警
電池陣列內各種異常及故障情況的安全保護
與PCS、EMS等其他設備通信
數據存儲、傳輸與處理
單體電池管理層：負責采集電池的各種單體信息（電壓、溫度），計算分析電池的SOC和SOH，實現對單體電池的主動均衡，并將單體異常信息上傳給電池組單元層BCMU。通過CAN對外通信，通過菊花鏈相互連接。
電池組管理層：負責收集BMU上傳的各種單體電池信息，采集電池組的各種信息（組電壓、組溫度）、電池組充電放電電流等，計算分析電池組的SOC和SOH，并將所有信息上傳給電池簇單元層BAMS。通過CAN對外通信，通過菊花鏈相互連接。
電池簇管理層：負責收集BCMU上傳的各種電池信息，并將所有信息以RJ45接口上傳給儲能監控EMS系統；與PCS通信，將電池的相關異常信息發送給PCS（CAN或RS485接口），且配有硬件干節點對PCS。此外進行電池系統BSE(Battery State Estimate)評估、電系統狀態檢測、接觸器管理、熱管理、運行管理、充電管理、診斷管理、以及執行對內外通信網絡的管理。通過CAN與下級進行通信。
BMS的功能有很多，最核心的、我們最關注的，無非就是三個方面：
一個是感知（狀態管理），感知電池的狀態，這就是BMS的基本功能，不管測電壓、測電阻、測溫度，最后就是一個感知電池狀態，我們想知道電池狀態什么樣，現在也多少能量，多少容量，現在健康狀態怎么樣，現在有多少功率，現在安全狀態怎么樣，這就是感知。
第二個就是管理（均衡管理），有人說BMS是電池的保姆，那這種保姆就要去管理，管理什么，就要把這個電池盡可能用好它，最基本就是均衡管理、熱管理。
第三個是保護（安全管理），保姆還要做一個工作，如果電池出了一些狀態，它要去進行保護并向上報警。
當然最后附帶一塊通信管理，通過一定的規約在系統內，或系統外傳遞數據。
BMS還有很多其他功能，例如運行控制、絕緣監測、熱管理等等，這里不展開介紹。
3.1 感知——測量與估算
BMS的基本功能就是對電池參數的測量和估算，包括電壓、電流、溫度等基本參數、狀態，以及SOC、SOH等電池狀態數據的計算。動力電池領域還涉及SOP（state of power）、SOE（state of energy）的計算，這里不展開講，著重講前兩個應用更廣泛的數據。
電芯測量
1)基本信息測量：電池管理系統有著最基本功能就是測量電池單體的電壓，電流和溫度，這是所有電池管理系統頂層計算、控制邏輯的基礎 。
2)絕緣電阻檢測：電池管理系統內需要對整個電池系統和高壓系統進行絕緣檢測。
3)高壓互鎖檢測(HVIL)：用來確認整個高壓系統的完整性的，當高壓系統回路完整性受到破壞的時候啟動安全措施。
SOC計算
SOC，指State of Charge，電池剩余容量。簡單來說，就是電池還剩下多少電。
SOC是BMS中最重要的參數，因為其它一切都是以SOC為基礎的，所以它的精度和魯棒性（也叫糾錯能力）極其重要。如果沒有精確的SOC，再多的保護功能也無法使BMS正常工作，因為電池會經常處于被保護狀態，更無法延長電池的壽命。
目前主流的SOC估算方法有開路電壓法、電流積分法、卡爾曼濾波法和神經網絡法。比較常用的是前兩種。后兩種涉及積分啊模型啊人工智能啊等等高尖深的知識，這里不詳細介紹。
實際應用中常常是多種算法混合使用，根據電池充放電狀態的不同采用不同算法。
開路電壓法
開路電壓法其原理是利用電池在長時間靜置的條件下，開路電壓與SOC存在相對固定的函數關系，從而根據開路電壓來估算SOC。以前常用的鉛蓄電池電動自行車就是使用這種方法估算SOC。開路電壓法簡單便捷，但也存在很多缺點：
1. 電池須經過長期靜置，否則開路電壓短時間內很難穩定；
2. 電池存在電壓平臺，特別是磷酸鐵鋰電池，在SOC30%-80%期間，端電壓和SOC曲線近似為直線；
3. 電池處于不同溫度或不同壽命時期，盡管開路電壓一樣，但實際上的SOC差別可能較大；
如下圖，我們在使用這種電動自行車，假如當前SOC顯示100%，在加速啟動下電壓下降，電量可能顯示80%，停止加速時電壓回升，電量又會跳回100%。所以我們的小電車電量顯示不準，停下來有電開起來就沒電了，可能不是電池的問題，而是BMS的SoC算法太簡單的鍋。
在已知SOC初始值的前提下，只要可以測量出電池的電流（式中放電電流為正），通過電流積分，可以準確地計算出電池電量的變化情況，進而得到剩余電量SOC。
該方法在短時間內的估計結果比較可靠，但由于電流傳感器的測量誤差以及電池容量的逐漸衰退，長時間的電流積分會引入一定的偏差。所以其一般與開路電壓法估計初始值配合，用于精度要求不高的SOC估計，也可以與卡爾曼濾波法配合，用于短時的SOC預測。
SOC(StateOfCharge)屬于BMS核心控制算法，表征當前的剩余容量狀態，主要通過安時積分法和EKF(擴展卡爾曼濾波)算法，并結合修正策略(如開路電壓修正，充滿修正，充電末端修正，不同溫度及SOH下的容量修正等)。安時積分法在保證電流采集精度條件下比較可靠，但魯棒性不強，由于存在誤差累計必須結合修正策略，而EKF魯棒性較強，但算法比較復雜，實現難度大。國內主流廠家一般常溫可以做到精度6%以內，在高低溫和電池衰減時的估算是難點。
SOC修正
由于電流波動會導致SOC估算偏差較大，計算出的SOC可能不夠可靠，估算時還需要結合各種各樣的修正策略。
SOH計算
SOH，指State of Health，電池健康狀態（或電池劣化程度）。主要表征當前電池的健康狀態，為0-100%之間數值，一般認為低于80%以后電池便不可再用。可以用電池容量或內阻變化來表示，用容量時即通過電池運行過程數據估算出當前電池的實際容量，與額定容量的比值即為SOH。準確的SOH會提高電池衰減時其他模塊的估算精度。
對SOH的定義，在業界有兩種不同的定義方式：
基于容量衰減的SOH定義（Capacity Fade）
鋰離子電池在使用過程中，電池內部活性物質逐漸減少，內阻增加，容量衰減，因此可以通過電池容量來估計SOH。電池的健康狀態表述為電池當前容量與初始容量的比值，其SOH定義為：
SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%
式中：C_fade為電池已損失容量；C_standard為標稱容量。
IEEE標準1188-1996中規定，動力電池容量能力下降到80%時，就應該更換電池。因此通常我們認為電池SOH低于80%后便不可用。
基于功率衰減的SOH定義（Power Fade）
幾乎所有類型的電池的老化都會導致電池內阻的增加，電池的內阻越高，其可用的功率就越小。因此，可以用功率的衰減來估計SOH。
3.2 管理——均衡技術
每個電池都有自己的“個性”
要說均衡，得先從電池談起。即使是同一廠家同一批次生產的電池，也都有自己的生命周期、自己的“個性”——每個電池的容量不可能完全一致。這種不一致性有兩類原因：
一類是電芯生產的不一致性
一類是電化學反應的不一致性
生產不一致性
生產不一致性很好理解，比如在生產過程中，隔膜不一致，陰極，陽極材料的不一致，造成整體電池容量的不一致，標準是一個50AH的電池，可能一個變成了49AH，一個變成了51AH。
電化學不一致性
電化學的不一致性就是在電池充放電的過程中，即使兩個電芯的生產加工一模一樣，但是熱環境在電化學反應的過程中是永遠不可能一致的，比如做電池模組的時候，周圍一圈溫度肯定比中間要低。這就造成充電量、放電量的長久不一致，這也就造成電芯容量不一致；以及電芯SEI膜在長時間充放電電流不一致的時候，SEI膜衰老也就不一致。
*SEI膜：“固體電解質界面膜”( solid electrolyte interface)，在液態鋰離子電池首次充放電過程中，電極材料與電解液在固液相界面上發生反應，形成的覆蓋于電極材料表面的鈍化層。SEI膜是電子絕緣體卻是鋰離子的優良導體，在保護電極的同時不影響電池功能，SEI膜衰老對電池健康有很大影響。
所以電池組非一致性（或者離散性）是電池運行的一種必然表現。
為什么需要均衡
各個電池不一樣就不一樣，為什么非要想辦法讓他們一樣呢？因為不一致性會影響電池組的性能。
串聯成組的電池組遵循木桶短板效應：在串聯成組的電池組系統中，整個電池組系統的容量由容量最小的單體決定。
假如我們有一個3節電池構成的電池組：
我們知道過充過放對電池的傷害很大。所以當充電時電池B已經充滿，或者放電時電池B的SoC已經很低，就需要停止充放電，保護電池B，電池A和電池C的電量就無法被充分利用。
這就導致：
電池組實際可用容量降低：電池A和C本來可以使用的容量，現在為了照顧B而無處發力，就像二人三足把高個和矮個綁在一起，高個的步子就無法邁得很大。
電池組壽命降低：步幅小了，需要走的步數就多了，腿就更累；容量降低了，需要充放電的循環次數就增加了，電池的衰減也更大。比如單個電芯在100%DoD的情況下能達到4000次循環，但實際使用中無法達到100%，循環次數一定達不到4000次。
*DoD， Depth of discharge，放電深度，表示電池放電量與電池額定容量的百分比。
電池的不一致性導致了電池組的性能降低，電池模組的規模較大時，多串電池串聯，較大的單體電壓差將造成整個箱體的容量下降，串聯電池越多，其損失的容量越多。而我們在應用中，尤其是儲能系統應用中，有兩個重要的要求：
第一個長壽命，長壽命的電池可以大大降低運維成本，儲能系統對電池組壽命提出了很高的要求，國內大部分在提15年的壽命，如果一年算300次循環，15年就是4500次，這個要求還是非常高的。我們需要每一個電池盡可能發揮應有的壽命，使得整個電池組總的壽命盡可能達到設計的壽命，減少電池離散對電池組壽命的影響。
第二個深循環，尤其是在削峰填谷應用場景，多放出一度電多一分收益，也就是說我們會做80%DoD或90%DoD，儲能系統當中用到這個深度的時候，尾部放電時候電池的離散性就會表現出來，所以為了保證電池組在深充深放條件下每個單體容量的充分釋放，必須要求儲能BMS具有很強的均衡管理能力，抑制電池單體間一致性的出現。
這兩個要求，正好與電池不一致性相悖，我們要達到更高效的電池組應用，就勢必需要更有效的均衡技術，來削弱電池不一致性的影響。
均衡技術
電池均衡技術，就是想辦法讓容量不一樣的電池變得一樣。常見的均衡方式有兩種：能量耗散型單向均衡（被動均衡）和能量轉移型雙向均衡（主動均衡）。
（1）被動均衡
被動均衡原理是在每串電池上并聯一個可以開關的放電電阻，BMS控制放電電阻對電壓較高的單體放電，電能以熱的形式耗散掉。例如當電池B快充滿時，打開開關讓電池B上的電阻放熱，讓B多余的電能以熱能形式耗散，再繼續充電，直到A和C也充滿。
這種方式只能對電壓高的單體放電，不能對容量低的單體進行補充電，受放電電阻功率限制，均衡電流一般較小（小于1A）。
被動均衡的優點是成本低和電路設計簡單；而缺點為是以最低電池殘余量為基準進行均衡，無法增加殘量少的電池的容量，及均衡電量100％以熱量形式被浪費。
（2）主動均衡
多串的電池之間通過算法借助儲能元器件將電壓高的電芯的能量轉移給低電壓電芯，對電壓較高的電池放電，放出的能量用來對電壓較低的單體進行充電，能量主要是轉移而不是耗散。
這樣，在充電時，讓電壓最先達到100%的電池B自放電給A和C，三個電池再一起充滿；放電時也是一樣，當電池B剩余電量過低時，讓A和C給B“充電”，讓電芯B不會那么快觸及停止放電的SOC閾值。
主動均衡技術主要特點
（1）均衡削高補低，提高電池組的使用效率：在充放電及靜止過程中，均可以對電壓高的電池放電，對電壓低的電池充電；
（2）低損耗能量轉移：能量主要是轉移，而非單純的損耗，提高了電能的利用效率；
（3）均衡電流較大：一般均衡電流在1～10A，均衡更快；
主動均衡需要配置相應電路和儲能器件，體積大，成本上升，這兩個條件一起決定了主動均衡不容易推廣應用。
另外，主動均衡的充放過程，無形中增加了電池的循環次數，對于本身需要充放電才能實現均衡的電芯，額外的工作量可能造成其超越一般電芯的老化，進而造成與其他電芯更大的性能差距。
有專家認為，上面的兩個表述應該對應于耗散型均衡和非耗散型均衡。而主動還是被動，應該取決于觸發均衡過程的事件，系統到達那個狀態不得不進行的就是被動。如果是人為設定，在可以不均衡的時候設置了均衡程序，才稱為主動均衡。
例如，放電放到最后，電壓最低的電芯已經到達了放電截止電壓，而其他電芯還存有電量。這時候，系統為了把盡量多的電都放掉，于是把高能量電芯的電部分的轉移給低能量的電芯，使得放電過程又進行下去，直到把全部電量放干凈，這是被動均衡過程。如果在放電至電量還有40%的時候，系統預計到，在放電截止的時候會出現不均衡，于是起動均衡過程，這才是主動均衡。
主動均衡分為集中式和分散式。集中式的均衡方法就是從整組的電池獲取能量，然后通過電能轉化裝置向能量少的電池補充能量，分散式的均衡是在相鄰的電池之間存在一個儲能環節，這個儲能環節可以是電感，也可以是電容，這樣就可以讓能量在相鄰的電池之間流動。
當前的均衡控制策略中，有以單體電壓為控制目標參數的，也有人提出應該用SOC作為均衡控制目標參數。以單體電壓為例。
首先設定一對啟動和結束均衡的閾值：例如一組電池中，單體電壓極值與這組電壓平均值的差值達到50mV時啟動均衡，5mV結束均衡。
BMS按照固定的采集周期采集單體電壓，計算平均值，再計算每個單體電壓與均值的差值；
如果最大的一個差值達到了50mV，BMS就需要啟動均衡程序；
在均衡過程中持續步驟2，直到差值都小于5mV，結束均衡。
需要注意的是，不一定所有BMS都是這個步驟，后續策略根據均衡方式的不同可能有所不同。
均衡技術與電池種類也有一定的關系，一般認為LFP更加適合主動均衡，三元電池適合被動均衡。
BMS進行白熱化競爭的階段，大部分都是靠成本與可靠性來支撐，目前主動均衡的實驗驗證尚未實現，功能安全的等級想要往ASIL-C, ASIL-D走，付出的代價相當之大，所以目前的大公司對于主動均衡研究，都處于慎重態度，甚至有一些大廠，要取消均衡模塊，所有的均衡在外部進行，就類似與燃油車的保養，每開多少公里，去4S進行一次外部的均衡，這樣整車BMS成本降低，而且對應的4S店也有收益，屬于多方共贏，所以個人理解，這個可能會成為一個趨勢！
3.3 保護——故障診斷和報警
BMS監控與電氣系統硬件匹配，針對電池的不同表現情況，區分為不同的故障等級（輕微故障、嚴重故障、致命故障），并且在不同故障等級情況下采取不同的處理措施：警告，限功率或直接切斷高壓。故障包括數據采集及合理性故障、電氣故障(傳感器和執行器)、通訊故障及電池狀態故障等。
一個常見的例子是電池過熱時，BMS根據采集上來的電池溫度，判斷出電池過熱，隨后控制此電池的電路斷開，進行過熱保護，并向EMS等管理系統發出告警。
3.4 通信
BMS的正常工作離不開BMS的通信功能，無論是進行電池管理時控制電池，還是向外傳輸電池狀況、接受控制指令，都需要穩定的通信。
在動力電池系統中，BMS一端與電池相連，另一端又與整車的控制及電子系統相連接，大環境都采用CAN協議，只是按照電池包內部組件之間使用內部CAN，電池包與整車之間使用整車CAN做區分。
相比之下，儲能BMS與內部的通訊基本都采用CAN協議，但其與外部通訊（外部主要指儲能電站調度系統PCS）往往采用互聯網協議格式TCP/IP協議和modbus協議。
儲能BMS廠商一般從動力電池BMS發展而來，因此，很多設計和名詞有歷史沿革
比如動力電池里一般分為 BMU（Battery Monitor Unit） 和BCU（Battery Control Unit）前者采集，后者控制。
因為電芯是一個電化學的過程，多個電芯組成一個電池，由于每個電芯特性，無論制造多精密，隨使用時間，環境，各個電芯都會存在誤差與不一致的地方，故電池管理系統，就是通過有限的參數，去評估當前電池的狀態，有點像中醫看病，通過表征，看你得了啥病，不是西醫，需要一些理化分析，人體的理化分析就像電池的電化學特性，可以通過大型試驗儀器去測量，但是嵌入式系統很難去評估電化學的一些指標，故BMS就是一個老中醫。
4.1儲能BMS三層架構
儲能系統由于電池單體眾多，為了節約成本，一般BMS分層實現，有2層和3層之分。目前主流是三層：總控/主控/從控。
4.2儲能BMS詳細說明
入局BMS制造的廠商有幾類：
第一類是動力電池BMS中最具主導能力的終端用戶——車廠，事實上國外BMS制造實力最強的也就是車廠，如通用、特斯拉等；國內有比亞迪、華霆動力等。
第二類是電池廠，包含電芯廠商與做pack的廠商，如三星、寧德時代、欣旺達、德賽電池、拓邦股份、北京普萊德等；
第三類專業的BMS制造商，此類廠商多有多年的電力電子技術積累，有高校背景或相關企業背景的研發團隊，如億能電子、杭州高特電子、協能科技、科工電子等企業。
與動力電池的 BMS 主要由終端車廠主導不同，目前看來儲能電池的終端用戶沒有加入 BMS 研發與制造的需求與具體行動，也不大可能花費大量資金與精力開發大型電池管理系統，所以可以認為儲能電池 BMS 行業缺乏一個占據了絕對優勢的重要參與者，給電池廠以及專注做儲能 BMS 的廠商留下了巨大的發展空間與想象空間。如果儲能的市場一旦確立，將給予電池廠與專業 BMS 生產廠商以非常大的發揮空間與較少的競爭阻力。
當前專注于儲能BMS開發的專業BMS廠商還比較少，主要原因是儲能市場還處在初期，市場對于儲能未來的發展還存在很大的疑慮，因此絕大部分廠商都沒有進行儲能相關BMS的開發。在實際的商業環境中，也有廠家購買電動汽車電池BMS用作儲能電池的BMS用，相信在未來專業電動汽車的 BMS 生產廠商也極有可能成為大規模儲能項目使用的BMS供應商的重要組成部分。
現階段，各個儲能系統供應商提供的BMS缺乏統一標準。不同廠家對BMS的設計、定義都不同，而且根據各家適配電池的不同，采用的SOX算法、均衡技術、上傳的通信數據內容可能也各不相同。在BMS的實際應用中，這樣的差異會增加應用成本，不利于產業發展。因此，以后BMS的標準化、模塊化也將是一個重要的發展方向。
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