电池管理系统

电池管理系统（Battery Management System，缩写BMS）是管理可充电二次电池（多半是锂离子电池，也可能是电池组）的电子系统，功能是让电池在安全的操作条件下使用，避免过放电、过充电、过温度等异常状况，维持电池的使用寿命，并且监控及估测电池的各种资讯（例如电池健康状态及电量状态）、计算电池相关资讯、回报电池资讯、控制电池使用环境、电池认证及电池均衡。

保护电路模组（Protection circuit module，缩写PCM）和电池管理系统类似，功能比较简单。

整合电池管理系统以及对外通讯总线功能的电池组会称为智能电池组，这种电池需使用智能充电器进行充电。

## 功能

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### 监控

电池管理系统可监控以下的电池资讯：

- 电压：总电压、各电池芯电压
- 温度：电池平均温度、各电池芯温度、（液冷电池的）冷却液入口温度及出口温度。
- 冷却液流量：针对液冷电池
- 电流：流进电池或从电池流出的电流
- 各电池的健康状态
- 电池均衡情形

### 电动车系统的能量恢复

电动车的电池管理系统也会配合汽车，在刹车时将马达回昇的能量转为电池包充电（再生制动）。

### 计算

电池管理系统需要计算以下的资讯：

- 电压：电池组的最大电压和电小电压
- 电量状态（SoC）或放电深度（DoD）：电池充电或放电的程度
- 电池健康状态（State of Health，SoH）的估算
- 功率状态（State of power, SoP），在一定时间，以目前使用条件及温度下，可以提供的功率。
- 安全状态（State of Safety, SOS）
- 最大充电电流限制（charge current limit，缩写CCL）
- 最大放电电流限制（discharge current limit，缩写DCL）
- 上次充电之后已提供的电量
- 电池的内部阻抗（以确认开路电流）
- 已提供或储存的电量，有时会称为库仑计数（coulomb counting）功能
- 总运作时间
- 充放电周期数
- 温度监控
- 液冷电池的冷却液流量
- 空冷电池的空气流量

### 通讯

电池管理系统的通讯可以分为和外界模组的通讯协定，以及内部对电池芯通讯的通讯协定。高阶的外部通讯有以下几种：

- 各种的串行通信。
- 汽车内常会使用控制器局域网络（CAN）。
- 各种的无线通讯。

低电压集中式的电源管理系统没有内部的通讯协定。

分散式或是模组化的电源管理系统，会在电芯—控制器（模组化架构）之间或是控制器—控制器之间（分散式架构）使用低阶的内部通讯协定。这类的通讯很困难，特别是针对高电压的系统。主要问题在各电芯之间的电压位准转换。电池包里常是许多电芯串联后再并联的架构，在串联电芯最上方的地电压可能比最下方电芯的地电压高了上百伏特。除了软件通讯协定外，已知有二种硬件通讯方式可以在不同电压位准的系统中通讯：使用光电耦合元件以及无线通讯。内部通讯的另一个限制是电芯的最大数量。若是模组化的架构，大部分的总线通讯只能有255个节点，这也限制了电芯的个数。针对高电压的系统，在总线上寻找所有电芯的时间也是另一个限制，限制了最小网络速度，有些硬件的方案也会受限而无法使用。模组化系统的成本很重要，因为在这占了电芯价格中很可观的一部分。结合硬件和软件的限制后，有以下几种内部通讯的方式：

- 隔离串列通讯
- 无线串列通讯

有些移动设备的充电是透过USB缆线进行，而现有的USB缆线为了电流发热的考量，在功率上有限制。为了避开此一限制，手机充电器中有开发和其他设备通讯，提升电压的通讯协定，最广为使用的有高通快充（Qualcomm Quick Charge）和MediaTek Pump Express。Oppo也有开发VOOC（品牌名称为Dash Charge和OnePlus），其作法是提升USB缆线上的电流，目的是为了减少移动设备将较高电压转换为内部使用电压的发热，但是这和现有的USB缆线不相同，需要使用较粗铜线的特殊大电流USB缆线。最近USB Power Delivery标准正设法提出通用性的充电协定，希望可以提供最大240瓦的电力。

### 保护

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电池管理系统需使电池在其安全工作区内工作，避免以下的情形：

- 过度充电
- 过度放电
- 充电时过电流
- 放电时过电流
- 充电时过电压，特别是铅酸蓄电池、锂离子电池及磷酸铁锂电池
- 放电时低电压，这对锂离子电池及磷酸铁锂电池特别重要
- 温度过高
- 温度过低
- 压力过大（镍氢电池）
- 接地故障或是侦测到漏电流（会进行系统监控，让高压电池和会触碰到的金属部分维持断路）

电池管理系统有以下的保护：

- 增加内部的开关（例如继电器或MOSFET），若电池没有运作在安全工作区内，自动让开关开路。
- 请求设备减少为电池的充电，甚至停止充电。
- 主动控制环境，例如在温度过低时使用加热器，在温度过高时使用风扇、空调或是启动液冷。
- 降低处理器速度，减少发热。

### 热管理

车用电池的热管理可分为主动式和被动式，冷却介质有空气、冷却液，或是某种会产生相变的介质。空气冷却的优点在于其架构简单。空气冷却有被动式的，用周围空气的热对流来散热，也有主动式的，利用风扇产生气流。本田Insight汽车和丰田Prius汽车的电池系统是使用主动空气冷却。空气冷却的主要缺点是冷却效率不佳。

冷却液的热传导系数比空气要大，因此液态冷却的冷却能力会比空气冷却要强。液态冷却的电池系统，其电池可能直接浸泡在冷却液中，也有可能冷却液只会流经电池管理系统，不会直接接触电池。间接冷却的好处是因为冷却通道的长度变长，可以在电池管理系统上产生较大的温度梯度。若想避免温度梯度，可以提高冷却泵浦转速，输送较多冷却液，因此需在泵浦速度以及系统的热一致性之间作取舍。

若电池会产生大量的热，超过主动水冷可以散热的程度，就需要额外的散热机构。散热机构中增加的零件也会增加电池管理系统的重量，若用在车辆上，会降低所在车辆行驶时的效率。

### 和负载电路的连接

有些电池管理系统有预充电（precharge system）机能，让电池可以安全的连接到不同负载，不会因为负载电路的电容器而产生过大的突波电流。

和负载电路的连接一般会透过电磁开关（称为接触器）来控制。预充电电路是在电磁开关导通之前动作，可以是简单的大功率电阻和负载串联，慢慢的为电容充电，直到负载电压接近电池电压为止，也可以用和负载并联的切换式电源供应器，将负载充电到电压和电池电压相近，可以让接触器导通为止。电池管理系统也可能有电路，检查接触器在充电之前是否就已经导通（例如因为电流太大造成接点焊死），以免提供电压给负载后产生大电流。

### 平衡

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为了最大幅度使用电池的电量，避免个别电池充电不足或过度充电。电池管理系统可以透过电池平衡的方式，使电池包的每一个电芯都维持在相同的电压或是充电状态。电池管理系统的平衡方式如下：

- 将电量最多的电芯接到负载（例如被动式的电池稳压器）。
- 将电量最多电芯的能量转移到将电量最少的电芯（电池均衡器）。
- 将充电电流降到不会破坏完全充电电芯的程度，让充电较小的电芯可以继续充电（不适用于锂化学电池）

有一种平衡方式是透过独立为个别电芯充电来达到。这多半是由电池管理系统来进行，充电器多半只提供整体的充电电流，不会和个别电芯互动。若使用这种方式，电池管理系统会在平衡进行时，请求较低的充电电流（例如针对电动车的电池），或是适时关闭充电输入（一般会用在行动电子装置），以避免电池的过度充电。

## 组态

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BMS技术有许多种，在其复杂度和性能上也有不同：

- 简易型的被动稳压器，在特定电芯电压到达一定值时，就不对该电芯充电，以此达到对电芯或是电池的平衡。不过电芯的电压不是其电量状态（SoC）的良好指标（甚至像磷酸铁锂电池电池，根本无法利用电压判断电量状态），因此，利用被动稳压器让电芯维持相同电压，无法让电芯的电量状态均衡（这才是电池平衡的目的）。这类设备在电池平衡上有些效果，但其效果不好。
- 主动稳压器，会适时的开启或关闭特定电芯的充电，以此达到电池平衡。不过若只以电压作为开始或束结束充电的条件，那么也会有类似被动稳压器的问题（无法让电芯的电量状态均衡）。
- 完整的BMS也会将电量状态在显示器上显示，并且保护电池。

BMS架构可以分为以下三类：

- 集中式：由单一控制器接到每一个电芯，会有大量的缆线。
- 分散式：每一个电芯上都有BMS板，用一组通讯线处理各电芯和控制器之间的通讯。
- 模组式：有一些控制器，每一个控制数个电芯，通讯则是在各控制器之间进行。

集中式BMS最经济，但扩充性最低，且有许多的缆线。

分散式BMS最贵，但最容易安装，而且不会有许多的缆线。

模组式BMS的优缺点介于上述的两者之间。

移动设备的电池管理系统（例如电动车）和固定设备的电池管理系统（像是服务器机房的备援不断电系统），两者的需求差异很大，特别是在空间以及重量的限制上更是明显，因此电池管理系统的硬件和软件需针对各自应用规划。电动车或是混合能源电动车里的电池管理系统只是子系统，不是可以单独运作的设备，至少要和充电器（或充电基础设备）、负载、热管理以及紧急闭关子系统通讯才能运作。在理想的车辆设计里，电池管理系统会和这些子系统紧密整合。一些小的行动设备应用（例如医疗设备、电动轮椅、电动机车或是叉车）常会有外部的充电硬件，不过设备上的电池管理系统仍需要和外部的充电器有紧密的设计整合。

目前已有许多的电池平衡技术，其中有些是以电量状态为基础。

## 相闗条目

- 电池平衡：多个电池芯串联的电池组中改善可用电池容量，延长电池寿命的技术。
- 充电器：为电池充电的设备。
- 智能电池：内建电池管理系统的可充电电池。
- 充电控制器：控制充电电压、电流的设备。

## 外部链接

- Electropaedia on Battery Management Systems
- NREL Energy Storage Systems Evaluation
- Modular Approach for Continuous Cell-Level Balancing to Improve Performance of Large Battery Packs , National Renewable Energy Laboratory, September 2014
- A Modular Battery Management System for HEVs, National Renewable Energy Laboratory, 2002
- 绿能知识：什么是BMS电池管理系统
- 车辆测试中心：电动车成败的关键技术-电池管理系统
- Modular Approach for Continuous Cell-Level Balancing to Improve Performance of Large Battery Packs , National Renewable Energy Laboratory, September 2014