1）什么是BMS？
BMS的全称是电池管理系统。它是一种监测储能电池状态的装置。主要用于对单个电芯进行智能管理和维护，防止电池过充、过放，延长电池寿命，监控电池状态。通常，BMS 表现为电路板或硬件盒。
BMS是电池储能系统的核心子系统之一，负责监控电池储能单元中各电池的运行状态，保证储能单元安全可靠运行。BMS可以实时监测和采集储能电池的状态参数（包括但不限于单格电压、电池极温度、电池回路电流、电池组端电压、电池系统绝缘电阻等），对相关状态参数进行必要的分析计算，以获得更多的系统状态评估参数。还可以根据特定的保护控制策略实现对储能电池本身的有效控制，保证整个电池储能单元的安全可靠运行。同时，BMS可以通过自身的通信接口和模拟/数字输入接口与其他外部设备（PCS、EMS、消防系统等）进行交互，形成整个储能电源中各个子系统的联动控制确保电站安全、可靠、高效并网运行。
2）架构
从拓扑架构来看，BMS根据不同的项目需求分为集中式和分布式两大类。
集中式电池管理系统
简单来说，集中式BMS使用单个BMS硬件来收集所有电池，适合电池较少的场景。
集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高等优点，常用于低容量、低总压、电池系统体积小的场景，如电动工具、机器人（搬运机器人、辅助机器人）、物联网智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托车、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车等。
集中式BMS硬件可分为高压区和低压区。高压区负责采集单体电池电压、系统总电压、监测绝缘电阻。低压区包括电源电路、CPU电路、CAN通信电路、控制电路等。
随着乘用车动力电池系统不断向高容量、高全压、大体积方向发展，分布式BMS架构主要应用于插电式混合动力和纯电动车型。
分布式电池管理系统
目前业界对于分布式BMS的术语有多种，不同的公司有不同的叫法。动力电池BMS多采用主从两层架构：
由于电池组体积较大，储能BMS通常采用三层架构，主控层位于从控层和主控层之上。
就像电池组成电池簇，电池簇又形成电堆一样，三层BMS也遵循同样的向上规则：
来自控制装置：电池管理单元（BMU），它收集各个电池的信息。
监控电池电压和温度
封装内电池均衡
信息上传
热管理
异常报警
主控：电池集群管理单元：BCU（电池集群单元，又称高压管理单元HVU、BCMU等），负责采集BMU信息，采集电池集群信息。
电池组电流采集、总电压采集、漏液检测
电池状态异常时断电保护
在BMS的管理下，可以分别完成容量标定和SOC标定，作为后续充放电管理的依据
电池阵列管理单元（BAU）负责对整个储能电池堆中的电池进行集中管理。它连接各种电池集群管理单元并与其他设备交换信息，以反馈电池阵列的运行状态。
电池阵列充放电管理
BMS系统自检及故障诊断报警
电池组故障诊断报警
对电池阵列的各种异常和故障的安全保护
与PCS、EMS等其他设备通讯
数据存储、传输和处理
电池管理层：负责采集单体电池的各种信息（电压、温度），计算分析单体电池的SOC和SOH，实现单体电池的主动均衡，并将单体电池的异常信息上传至电池组单元层BCMU。通过CAN对外通讯，通过菊花链互连。
电池管理层：负责采集BMU上传的各个电池的各种信息，采集电池组的各种信息（电池组电压、电池组温度）、电池组充放电电流，计算分析电池组的SOC和SOH ，并将所有信息上传至电池簇单元层BAMS。通过CAN对外通讯，通过菊花链互连。
电池集群管理层：负责采集BCMU上传的各种电池信息，并通过RJ45接口将所有信息上传至储能监控EMS系统；与PCS通讯，将电池相关异常信息发送至PCS（CAN或RS485接口），并配备硬件干节点与PCS通讯。此外，它还执行电池系统BSE（电池状态估计）评估、电气系统状态检测、接触器管理、热管理、运行管理、充电管理、诊断管理，并执行内部和外部通信网络管理。通过CAN与下属进行通讯。
3）BMS的作用是什么？
BMS的功能很多，但核心也是我们最关心的是三个方面：
一是感知（状态管理），这是BMS的基本功能。它测量电压、电阻、温度，并最终感测电池的状态。我们想知道电池的状态是什么，它有多少能量和容量，它的健康状况如何，它产生了多少电量，以及它的安全性如何。这就是感应。
二是管理（平衡管理）。有人说BMS是电池的保姆。那这个保姆就该管了。管理什么？就是为了让电池尽可能的好。最基本的是平衡管理和热管理。
三是防护（安全管理）。保姆也有工作要做。如果电池有某种状态，则需要对其进行保护并发出警报。
当然，还有一个通信管理组件，通过一定的协议在系统内部或外部传输数据。
BMS还有很多其他功能，比如运行控制、绝缘监控、热管理等，这里不讨论。
3.1 感知——测量和估计
BMS的基本功能是测量和估算电池参数，包括电压、电流、温度、状态等基本参数，以及SOC、SOH等电池状态数据的计算。动力电池领域还涉及到SOP（State of Power）和SOE（State of Energy）的计算，这里不讨论。我们将重点关注前两个更广泛使用的数据。
电池测量
1）基本信息测量：电池管理系统最基本的功能是测量单个电池单体的电压、电流和温度，这是电池管理系统中所有顶层计算和控制逻辑的基础。
2）绝缘电阻测试：电池管理系统内的整个电池系统和高压系统都需要进行绝缘测试。
3）高压联锁检测（HVIL）：用于确认整个高压系统的完整性，并在高压系统回路的完整性受到损害时启动安全措施。
SOC计算
SOC是指State of Charge，即电池的剩余容量。简单来说，就是电池还剩下多少电量。
SOC是BMS中最重要的参数，其他一切都基于它。因此，其准确性和鲁棒性（也称为纠错能力）极其重要。如果没有准确的SOC，再多的保护功能也无法让BMS正常工作，电池会经常处于保护状态，无法延长电池的使用寿命。
目前主流的SOC估算方法有开路电压法、电流积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。前两种方法是常用的。后两种方法涉及到集成模型、人工智能等高级知识，这里不再详述。
在实际应用中，常常将多种算法结合使用，根据电池的充放电状态采用不同的算法。
开路电压法
开路电压法的原理是在电池长期静态放置的情况下，利用开路电压与SOC之间相对固定的函数关系，从而根据开路电压估算SOC。以前常用的铅酸电池电动自行车就是采用这种方法来估算SOC的。开路电压法简单方便，但也有很多缺点：
1、电池必须长期静置，否则开路电压短时间内难以稳定；
2、电池存在电压平台，特别是磷酸铁锂电池，在SOC30%-80%范围内，端电压与SOC曲线近似线性；
3、电池处于不同温度或不同寿命阶段，虽然开路电压相同，但实际SOC差异可能较大；
如下图所示，我们在使用这款电动自行车时，如果当前SOC显示为100%，加速时电压下降，电量可能显示为80%。当我们停止加速时，电压升高，功率跳回 100%。所以我们的电动滑板车电量显示不准确。当我们停下来时，它还有电，但当我们启动时，它就没电了。这可能不是电池的问题，而可能是由于BMS的SoC算法过于简单所致。
安石积分法
安氏连续积分法通过SOC的定义，直接实时计算出SOC值。
给定初始SOC值，只要能够测量出电池电流（放电电流为正），通过电流积分就可以准确计算出电池容量的变化，从而得到剩余SOC。
该方法在短时间内具有相对可靠的估计结果，但由于电流传感器的测量误差和电池容量的逐渐退化，长期的电流积分会引入一定的偏差。因此，一般与开路电压法配合使用来估计初始值，用于精度要求不高的SOC估计，也可以与卡尔曼滤波法配合使用来进行短期SOC预测。
SOC（State Of Charge）属于BMS的核心控制算法，代表当前的剩余容量状态。主要通过安时积分法和EKF（扩展卡尔曼滤波器）算法，结合修正策略（如开路电压修正、充满电修正、充电结束修正、不同温度下的容量修正和SOH）来实现， ETC。）。安时积分法在保证电流采集精度的情况下相对可靠，但鲁棒性不够。由于误差的积累，必须结合修正策略。EKF方法具有鲁棒性，但算法相对复杂且难以实现。国内主流厂商在常温下可以达到6%以下的精度，但在高低温和电池衰减情况下估算比较困难。
SOC校正
由于电流波动，估计的SOC可能不准确，需要在估计过程中纳入各种校正策略。
SOH计算
SOH是指State of Health，表示电池当前的健康状态（或电池退化程度）。它通常表示为 0 到 100% 之间的值，低于 80% 的值通常被认为表明电池不再可用。它可以用电池容量或内阻的变化来表示。使用容量时，根据电池运行过程中的数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH将提高电池劣化时其他模块的估计精度。
业界对SOH有两种不同的定义：
基于容量衰减的SOH定义
锂离子电池在使用过程中，电池内部的活性物质逐渐减少，内阻增大，容量衰减。因此，SOH可以通过电池容量来估算。电池的健康状态用当前容量与初始容量的比值表示，其SOH定义为：
SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%
其中：C_fade为电池损失的容量；C_standard 是标称容量。
IEEE标准1188-1996规定，当动力电池容量下降至80%时，应更换电池。因此，我们通常认为电池SOH低于80%时不可用。
基于功率衰减（Power Fade）的SOH定义
几乎所有类型电池的老化都会导致电池内阻增加。电池的内阻越高，可用电量越低。因此，可以使用功率衰减来估计SOH。
3.2 管理——平衡技术
每块电池都有自己的“个性”
要谈平衡，就得从电池说起。即使同一厂家同一批次生产的电池也有自己的生命周期和“个性”——每块电池的容量不可能完全相同。造成这种不一致的原因有两个：
一是细胞产量不一致
一是电化学反应的不一致性。
生产不一致
生产不一致很容易理解。例如，在生产过程中，隔膜不一致以及正负极材料不一致会导致电池整体容量不一致。标准50AH的电池可能会变成49AH或51AH。
电化学不一致性
电化学的不一致是指在电池充放电过程中，即使两块电池的生产加工完全相同，电化学反应过程中的热环境也永远不可能一致。例如，制作电池模组时，周围环的温度必须低于中间的温度。这就导致充放电量长期不一致，进而导致电芯容量不一致；当电芯上SEI膜的充放电电流长期不一致时，SEI膜的老化也会不一致。
*SEI膜：“固体电解质界面”（固体电解质界面）。液态锂离子电池在第一次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成覆盖在电极材料表面的钝化层。SEI膜是电子绝缘体，但却是锂离子的优良导体，不仅可以保护电极，而且不影响电池功能。SEI膜的老化对电池的健康有着显着的影响。
因此，电池组的不均匀性（或离散性）是电池运行的必然表现。
为什么需要平衡
电池不同，为什么不尝试使它们相同呢？因为不一致会影响电池组的性能。
串联的电池组遵循短筒效应：在串联的电池组系统中，整个电池组系统的容量由最小的单体单元决定。
假设我们有一个由三块电池组成的电池组：
我们知道过度充电和过度放电会严重损坏电池。因此，当充电时电池B充满电或者放电时电池B的SoC很低时，需要停止充放电以保护电池B，从而导致电池A、C的电量无法充分发挥。被利用。这导致：
电池组的实际可用容量减少了：本来可以使用可用容量的电池A和C现在无法容纳电池B。就像两个人三条腿绑在一起，个子较高的人无法迈出大步。
电池寿命缩短：步幅越小，需要走的步数就越多，并且会使腿部更加疲劳。随着容量的减少，充电和放电循环的次数增加，导致电池退化更大。例如，单个电池在 100% DoD 时可以达到 4000 次循环，但在实际使用中无法达到 100%，循环次数肯定不会达到 4000 次。
*DoD，Depthofdischarge，表示电池放电容量占电池额定容量的百分比。
电池的不一致会导致电池组的性能下降。当电池模组尺寸较大时，多串电池串联，单个电压差较大会导致整个箱体的容量下降。串联的电池越多，损失的容量就越多。然而，在我们的应用中，尤其是储能系统应用中，有两个重要的需求：
首先是长寿命电池，可以大大降低运营和维护成本。储能系统对电池组的寿命要求较高。国内的大多设计寿命为15年。如果我们假设每年 300 个周期，15 年就是 4500 个周期，这仍然很高。我们需要最大化每个电池的寿命，使整个电池组的总寿命尽可能达到设计寿命，并减少电池分散对电池组寿命的影响。
第二次深循环，尤其是调峰应用场景，多释放一度电，就会多带来一分收益。也就是说我们会做80%DoD或者90%DoD。当储能系统采用深循环时，尾部放电时电池的分散性会表现出来。因此，为了保证深充深放条件下各单体电池容量的充分释放，需要要求储能BMS具有较强的均衡管理能力，抑制电池单体之间一致性的发生。
这两个要求与电池不一致正好相反。要实现更高效的电池组应用，必须有更有效的平衡技术来减少电池不一致的影响。
平衡技术
电池均衡技术是一种使不同容量的电池变得相同的方法。常见的均衡方法有两种：能量耗散单向均衡（被动均衡）和能量传递双向均衡（主动均衡）。
(1)被动平衡
无源均衡原理是在每串电池上并联一个可切换的放电电阻。BMS 控制放电电阻器对较高电压的电池进行放电，从而以热量的形式耗散电能。例如，当电池 B 几乎充满电时，开关打开，让电池 B 上的电阻将多余的电能以热量的形式耗散掉。然后继续充电，直到电池 A 和 C 也充满电。
此方法只能对高电压电池放电，不能对低容量电池充电。由于放电电阻的功率限制，均衡电流一般较小（小于1A）。
无源均衡的优点是成本低、电路设计简单；缺点是基于最低剩余电池容量进行均衡，无法对剩余容量较低的电池进行容量提升，且均衡后的电量100%以热量的形式浪费。
(2)主动平衡
通过算法，多串电池利用储能组件将高压电池的能量转移到低压电池，对较高电压的电池进行放电，并利用释放的能量为较低电压的电池充电。能量主要是转移而不是耗散。
这样，充电时，先达到100%电压的B电池向A、C放电，三块电池一起充满。放电时，当电池 B 的剩余电量过低时，A 和 C 对 B 进行“充电”，使得电池 B 不会如此快地达到停止放电的 SOC 阈值。
主动平衡技术的主要特点
(1)平衡高低压，提高电池组效率：充放电时和休息时，可以对高压电池进行放电，对低压电池进行充电；
（2）低损耗能量传输：能量主要是传输而不是简单损耗，提高电能利用效率；
(3)平衡电流大：一般平衡电流在1～10A之间，平衡速度较快；
有源均衡需要配置相应的电路和储能器件，导致体积较大，成本增加。这两个条件共同决定了主动均衡并不容易推广应用。
此外，主动均衡充放电过程也隐含地提高了电池的循环寿命。对于需要充放电达到平衡的电池来说，额外的工作量可能会导致其超过普通电池的老化程度，从而与其他电池产生更大的性能差距。
有专家认为，上述两个表达式应该对应于耗散平衡和非耗散平衡。是主动还是被动应该取决于触发平衡过程的事件。如果系统达到了必须被动的状态，那么它就是被动的。如果是人为设定的，在不需要平衡的时候设定平衡程序，称为主动平衡。
例如，当放电结束时，电压最低的电池已达到放电截止电压，而其他电池仍有电量。此时，为了尽可能多地放电，系统将高能量电池的电量转移到低能量电池，让放电过程继续进行，直到所有电量都放完。这是一个被动均衡过程。如果系统预测在放电结束时仍剩余40%电量时会出现不平衡，则会启动主动均衡过程。
主动均衡分为集中式和分散式。集中均衡方式是从整个电池组获取能量，然后利用能量转换装置给能量较少的电池补充能量。分散均衡涉及相邻电池之间的储能链路，可以是电感器或电容器，允许能量在相邻电池之间流动。
目前的平衡控制策略中，有以电芯电压作为控制目标参数的，也有提出以SOC作为平衡控制目标参数的。以电池电压为例。
首先，设置一对启动和结束均衡的阈值：例如，在一组电池中，当单节电池的极限电压与该组平均电压的差值达到50mV时，启动均衡，当达到5mV，均衡结束。
BMS按照固定的采集周期采集每节电芯的电压，计算平均值，然后计算每节电芯电压与平均值的差值；
如果最大差值达到50mV，则BMS需要启动均衡过程；
均衡过程中继续步骤2，直到差值全部小于5mV，然后结束均衡。
需要注意的是，并不是所有的BMS都需要这一步，后续的策略可能会根据平衡方式的不同而有所不同。
平衡技术还与电池类型有关。一般认为磷酸铁锂更适合主动平衡，而三元电池适合被动平衡。
BMS竞争激烈的阶段，主要靠成本和可靠性来支撑。目前，主动平衡的实验验证尚未实现。功能安全水平有望向ASIL-C和ASIL-D迈进，但成本相当高。因此，目前大公司对主动平衡研究持谨慎态度。一些大厂甚至想取消平衡模块，所有平衡都在外部进行，类似于燃油车的维护。车辆每行驶一定距离，就会去4S店进行外部平衡。这将降低整车BMS的成本，同时也有利于相应的4S店。这对各方来说都是双赢的局面。因此，我个人理解这可能会成为一种趋势！
3.3 保护——故障诊断与报警
BMS监控与电气系统的硬件相匹配，根据电池的不同性能状况分为不同的故障等级（轻微故障、严重故障、致命故障）。针对不同的故障级别采取不同的处理措施：警告、限电或直接高压切断。故障包括数据采集和合理性故障、电气故障（传感器和执行器）、通信故障和电池状态故障。
常见的例子是，当电池过热时，BMS根据采集到的电池温度判断电池过热，然后控制该电池的电路断开，进行过热保护，并向EMS等管理系统发出警报。
3.4 通讯
BMS的正常运行离不开其通信功能。无论是电池管理时控制电池、向外界传输电池状态，还是接收控制指令，都需要稳定的通信。
在动力电池系统中，BMS的一端与电池连接，另一端与整车的控制和电子系统连接。整体环境使用CAN协议，但电池组内部组件之间使用内部CAN和电池组与整车之间使用车辆CAN是有区别的。
相比之下，储能BMS与内部通信基本采用CAN协议，但其外部通信（外部主要指储能电站调度系统PCS）往往采用互联网协议格式TCP/IP协议和modbus协议。
4）储能BMS
储能BMS厂家一般都是由动力电池BMS演变而来，所以很多设计和术语都有历史渊源
例如，动力电池一般分为BMU（电池监控单元）和BCU（电池控制单元），前者收集数据，后者控制数据。
由于电芯是电化学过程，多个电芯组成一个电池。由于每个电池单元的特性，无论制造过程多么精确，随着时间的推移和环境的不同，每个电池单元都会出现错误和不一致。因此，电池管理系统是通过有限的参数来评估电池当前的状态，这有点像中医通过观察症状来诊断病人，而不是西医需要理化分析。人体的理化分析与电池的电化学特性类似，可以通过大型实验仪器进行测量。然而，嵌入式系统很难评估电化学的一些指标。因此，BMS就像一位老中医。
4.1 储能BMS三层架构
由于储能系统中电芯数量较多，为了节省成本，BMS一般采用分层实现，有两层或三层。目前主流的是三层：主控/主控/从控。
4.2 储能BMS详细说明
5）现状及未来趋势
生产BMS的厂家有以下几种类型：
第一类是动力电池BMS中最具主导权的最终用户——车厂。其实国外BMS制造实力最强的也是车厂，比如通用、特斯拉等，国内有比亚迪、华亭动力等。
第二类是电池厂，包括电芯制造商和Pack制造商，如三星、宁德时代、新旺达、德赛电池、拓邦股份、北京普拉德等；
第三类BMS厂商是拥有多年电力电子技术经验，拥有大学或相关企业背景研发团队的厂商，如长兴电子、杭州高特电子、协能科技、科功电子等。
与动力电池的BMS主要由终端整车厂商主导不同，储能电池的终端用户似乎没有必要也没有具体的行动参与BMS的研发和制造。他们也不太可能花费大量资金和精力来开发大规模的电池管理系统。因此可以认为，储能电池BMS行业缺乏具有绝对优势的重要参与者，给专注于储能BMS的电池厂商和厂商留下了巨大的发展空间和想象空间。如果储能市场建立起来，将给电池厂商和专业BMS厂商很大的发展空间，竞争阻力也较小。
目前，专注于储能BMS开发的专业BMS厂商相对较少，主要是由于储能市场仍处于起步阶段，市场对储能未来发展仍存在诸多疑虑。因此，大多数厂商还没有开发与储能相关的BMS。在实际商业环境中，也有厂商采购电动汽车电池BMS，作为储能电池的BMS使用。相信未来，专业的电动汽车BMS厂商也有可能成为大型储能项目所采用的BMS供应商的重要组成部分。
现阶段各储能系统供应商提供的BMS缺乏统一标准。不同厂家对BMS的设计和定义不同，根据兼容的电池不同，SOX算法、均衡技术、上传的通信数据内容也可能有所不同。在BMS的实际应用中，这种差异会增加应用成本，不利于产业发展。因此，BMS的标准化、模块化也将是未来的重要发展方向。
发布时间：2024年1月15日