一文读懂电动汽车电池管理系统（BMS）

想要更好地了解电动汽车电池管理系统，让我们从动力电池开始。

1 动力电池

目前几乎所有电动汽车都使用锂离子电池作为动力电池，根据极性材料的选择不同，动力电池可分为3种：镍钴锰三元电池NMC，镍钴铝三元电池NCA和磷酸铁锂电池LFP，三者比较信息如下所示：

1.1 NMC

镍钴锰三元电池，简称 NCM，是取自三种主要组成金属元素的缩写，并根据不同的含量比例而命名。根据镍含量的不同，有不同的编号，最著名的是 NCM523 和 NCM811。

镍锰钴（NMC）电池具有良好的续航能力和充电性能，是目前电动汽车中最常见的电池正极材料。NMC 电池的主要优势是能量密度高，可达 250 Wh/Kg左右，这意味着它可以在每个电池的体积中容纳更多能量，从而提供更长的行驶里程，并且节省空间，另外NMC电池对低温的敏感性更低，它可以在寒冷的气候条件下更快地充电。钴和镍的开采污染环境，而且价格昂贵，NMC 电池组的价格高于 LFP 电池组。

此外，NMC 的寿命较短，估计只能保证 1000-2000 次完整的充电循环（0 到 100% ）。但是1000 次循环后，容量可能会下降约 40%。大多数汽车品牌建议 NMC 电池组的日常充电限制为 80%，以保持电池良好的健康状态。

1.2 NCA

镍钴铝三元电池，简称NCA，也是取其主要元素组成的三个缩写，其中三种元素的比例为8:1.5:0.5。其能量密度达到现行国家标准要求的峰值 350Wh/kg，充放电效果也是一流的，长期续航能力强于 NCM811。

镍钴铝（NCA）阴极锂离子电池与 NMC 电池基本相似。不过，NCA 将锰换成了更便宜的铝，并减少了阴极中的钴用量。NCA 电池所含的铝是一种碱性金属，电池工作中，可能会引起副反应释放出大量气体。这将导致电池鼓包。NCA电池中的镍含量越高，热稳定性也越差。

与 NMC 电池相比，NCA 电池具有更高的能量密度，它将对环境不友好的锰换成了铝，也提高了电池的使用寿命。但是NCA 电池组的生命周期仍然较短，由于它使用了钴和镍，导致价格也比 LFP 电池贵。

1.3 LFP

磷酸铁锂电池，简称 LFP，LFP电池的特点是能量密度低，仅为 200Wh/kg，且不耐寒。当外界温度低于零下 10-20°C 时，磷酸铁锂电池的能量密度会成比例地衰减，导致电池寿命缩短。

此外，LFP电池具有耐高温、内部结构稳定、电池形状安全性强等特点。即使达到最高700-800°C，它也不会像三元电池那样容易爆炸。磷酸铁锂（LFP）作为一种成本更低、更可持续的电池类型正在崛起，它被认为是降低入门级电动汽车价格门槛的关键。

与 NMC 和 NCA 不同，LFP 电池不含镍、钴和镁，因此制造成本更低。LFP 的一个关键优势是其生命周期更长。LFP 电池组能够进行 3000 次以上的完全充电循环，而 NMC 电池组只能进行 1000-2000 次循环。但是，LFP 电池不仅能量密度较低（比 NMC 低约 70%），而且在低温环境下充电速度较慢，并且仍然依赖于资源有限的锂，而由于需求量大，锂的成本也在不断上升。

2 电动汽车电池管理系统

不管是哪种动力电池类型，都需要电池管理系统（俗称 BMS）来管理电池的状态。BMS作为电动汽车极其重要的电子部件，它可以控制和监控电池包电压、温度和充放电状态，这些都是电动汽车电池安全运行的关键参数，从而确保电动汽车的性能和安全性。

在非正常情况下，锂离子电池可能会因过度充电/过度放电、热失控、老化和磨损等各种原因而失效，甚至导致火灾。这就需要有电池管理系统（BMS），以确保电动车电池时刻处于最佳安全模式。

电池管理系统有两种类型：集中式 BMS 和分布式 BMS。

1）集中式BMS架构

在电池组组件中有一个中央 BMS，所有电池组直接连接到中央 BMS，如下图所示。集中式BMS的结构更紧凑，而且由于只有一个 BMS，因此往往最经济。不过，集中式 BMS 也有缺点。由于所有电池都直接连接到 BMS，因此 BMS 需要大量端口来连接所有电池组。这就意味着大型电池组需要大量电缆、连接器等，从而使故障排除和维护工作变得复杂。

此外，输入端很容易混淆和连接错误，连接处也可能松动，从而增加了故障的可能性。另一个缺点是系统结构缺乏可扩展性和灵活性。此外，主控制器是核心，一旦主控制器发生故障，整个系统的运行就会受到威胁。这是一个很大的缺点。

2）模块化BMS拓扑

模块化 BMS 的特点是有多个相同的模块，每个模块之间通过线束相互连接，模块通过电缆连接到单个电池或电池单元，类似于集中式 BMS。BMS 模块提供数据采集（单体电池电压、电流、温度）以及与其他 BMS 模块的通信接口。通常情况下，其中一个模块被指定为主控模块，或者由一个单独的模块作为主控模块。主控模块控制整个电池组并与系统的其他部分通信，而其他模块只是记录测量数据并将其传送给主控模块。

由于采用了重复的模块化设计，故障排除和维护更加容易，而且可以直接扩展到更大的电池组。缺点是总体成本略高，而且根据应用情况，可能会有接口未完全被使用的情况。

与集中式 BMS 相比，一个 BMS 模块的故障不会危及整个电池的运行。有缺陷的电池单元或电池组可以从系统中移除，虽然会降低容量，但仍能维持运行。

3）主/从式 BMS

概念上类似于模块拓扑结构，但在这种情况下，从属设备更多局限于转发测量信息，而主设备则专门用于计算和控制以及对外通信。因此，虽然与模块类型类似，但由于从属设备的功能趋于简单，成本较低。

主从式 BMS 中电池的最大数量是提前设定好的。在系统开发过程中，使用中的电池数量是固定的。如果使用了所有输入接口，则无法增加电池数量，同样，在一些情况下，可能有些输入接头未被使用，造成资源浪费。

4）分布式BMS架构

分布式 BMS 将所有电子硬件集成在一块控制板上，控制板直接安装在被监控的电池或模块上。这样一来，相邻 BMS 模块之间的布线就只剩下几条传感器线和通信线。因此，每个 BMS 都更加独立，可根据需要进行计算和通信。

分布式 BMS 可同时提供高可靠性和稳健性，以及具有成本效益的开发流程，从而大幅降低最终电池组的成本。与集中式和模块化拓扑结构相比，分布式 BMS 的优势在于可扩展性和灵活性。没有规定输入的最大数量，即使在安装后也可以添加或移除电池单元。不需要对模块的硬件或软件进行任何更改。此外，还避免了集中式方法的单点故障。每个电池单元的本地控制还能提高安全性。另一个优点是测量精度高。此外，较短的连接线可实现更精确的电压测量和更好的抗干扰能力。模块化分布式结构便于维护或更换故障部件。

缺点是 BMS 成本增加，因为每个电池单元都需要一个单独的 BMS 模块，在大多数应用中还需要一个额外的主控制模块。

3 BMS功能

1) 电池运行状态监控

BMS 可获取电压、温度和电流等基本电池参数的实时数据。利用这些指标，BMS 可密切监控重要的性能参数，如充电状态 (SoC)（表示电动汽车电池最大容量的剩余电量）和健康状态 (SoH)（显示电池组的整体健康状态）。SoC 监控可帮助电动汽车用户评估其可支配的行驶里程，并计划充电站的停靠点，而不必担心里程焦虑。有了 SoH 监控，厂商就能帮助客户进行预防性维护，保持健康的电池状态并延长性能。

2) 热管理

电动汽车电池对温度变化非常敏感，会影响其性能和使用寿命。在这方面，BMS 通过持续监测和控制电池温度值，以保持最佳运行状态。例如，可以利用加热-冷却机制将电池保持在理想的温度范围内，以最大限度地提高其性能和使用寿命。

3) 电池包充放电平衡

BMS可以控制电池处于一个动态平衡过程，使电池包之间的性能保持一致。在充电的状态下，它通过两种不同的方法来平衡电池之间的电压：

主动平衡–将能量从过充转移到欠充；

被动平衡–多余的能量通过耗散旁路机制消耗掉。

保证没有一个电池过充或欠充，提高了电动汽车电池组的效率和寿命。

4) 电池异常状态保护

由于电池单元会随着时间的推移自然老化，从而失去其稳定性，因此 BMS 会对电池组的多个参数进行监控。它内置过压、欠压、过流、热管理和外部过充/过放保护功能。出现异常时，系统会自动执行预定义的保护程序，如为性能下降的电池优化低压充电，平衡老化电池引起的电压下降，以保持电池的最佳性能。

4 BMS发展的当前趋势

1）智能 BMS

通过采用先进的算法和机器学习技术，BMS 可以根据电池的使用模式、环境条件和其他动态场景优化电池性能。

2）OTA升级

无线通信协议越来越多地与 BMS 结合使用，使其能够通过OTA更新/升级系统。

3）预测性维护算法

电动汽车电池管理系统正在与先进的预测性维护系统集成。这些算法依靠实时数据来预测电池组件何时需要维修或更换，从而降低客户维护成本，提高车辆可靠性。

我们可以看到，随着新技术的不断创新，BMS 的功能也在突飞猛进，也将推动电动汽车更高效更安全地进入每一个人的生活。

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