BMS电池管理系统 — 1 BMS综述

[1 储能系统组成](#1 储能系统组成)

[1.1 储能电池结构](#1.1 储能电池结构)

[1.2 储能集装箱组成](#1.2 储能集装箱组成)

[2 BMS系统组成](#2 BMS系统组成)

[3 BMS功能](#3 BMS功能)

[3.1 SOC荷电状态估计](#3.1 SOC荷电状态估计)

[3.2 SOH估计](#3.2 SOH估计)

[3.3 主动均衡与被动均衡](#3.3 主动均衡与被动均衡)

[3.4 电池热管理](#3.4 电池热管理)

[4 BMS架构](#4 BMS架构)

[4.1 集中式BMS](#4.1 集中式BMS)

[4.2 分布式BMS](#4.2 分布式BMS)

参考论文

1 储能系统组成

1.1 储能电池结构

电芯：电芯是电池的基本能量存储单元，通常指的是单个的电池单元，如锂离子电池、铅酸电池等。

模组： 电池模组介于电芯和电池包（PACK）之间，电池模组由多个单体电池通过串联和并联的方式组成，以满足特定的电压和容量需求。

PACK（电池包）：PACK是由多个单体电池通过串并联组成的模块。

电池簇（Battery Cluster）：电池簇是由多个PACK组成的更大单元，进一步增加了储能系统的规模。

集装箱（Container）：集装箱储能系统是将电池簇、电池管理系统、变流器、冷却系统等所有必要的设备集成在一个或多个集装箱内的完整储能解决方案。

1.2 储能集装箱组成

储能集装箱是高度集成化的储能系统，除了电池系统以外，还包括BMS、PCS、EMS等部分组成。

其组成部分主要包括以下几个方面：

电池系统：这是储能集装箱的核心部分，通常由锂电池或其他类型的电池组成。电池通过串并联的方式组成电池箱，进而形成电池组，以提升系统电压和容量。
电池管理系统（BMS）：BMS负责监控和管理电池的充放电过程，确保电池安全运行，防止过充或过放，同时实现电池的均衡控制。

储能变流器（PCS）：变流器将电池的直流电转换为交流电，可以运行于并网或离网模式。在并网模式下，变流器根据调度指令与电网进行能量交互；在离网模式下，可以为负荷提供电压频率支撑。

能量管理系统（EMS）：EMS负责监控和控制储能系统的整体运行，包括与智能电表的通信、电网状态监测、负载功率变化监测等。
消防系统：为了确保储能集装箱的安全，内部配置了专用的消防系统，包括烟雾传感器、温度传感器等，以自动感知火警并进行灭火。
散热系统：专用空调系统根据外部环境温度，通过热管理策略控制冷热系统，保证集装箱内温度适宜，延长电池使用寿命。配置通风百叶窗以满足散热要求。

2 BMS系统组成

电池管理系统（Battery Management System，简称BMS）是用于电动汽车、储能系统、移动设备等电池应用中的一套系统。它的主要功能是监控、保护、控制和优化电池充放电过程，以确保电池组的安全、延长电池寿命、提高系统效率，并为系统提供准确的状态信息。

BMS主要由BMU主控器、CSC从控制器、GPS通讯模块等部分组成。

模拟前端（AFE）：AFE是BMS中用于收集电池电压、温度和电流读数的部分。它通常负责物理上更接近电池的测量，并控制断路器以在故障情况下断开电池与系统的连接。
主控单元（BMU）：BMU负责电池模块内电芯级别的控制，包括电芯电压和温度信号监控、均衡控制、SOC估算、电池健康状态（SOH）估算和热管理控制。
从控单元（CMU）：CMU负责模块级别的控制，包括系统继电器的控制、告警信号输出、与外部设备的输入输出。它汇总串联电池组中所有电芯的状态信息，并可通过触摸屏显示或与PC计算机通讯。
通信接口：BMS通过通信接口如CAN总线与外部设备进行数据交换，实现远程监控和控制。

3 BMS功能

3.1 SOC荷电状态估计

荷电状态估计（State of Charge，SOC）是指确定电池当前剩余电量的多少，它是电池管理系统（BMS）中的一个核心功能。SOC的准确估计对于电池的安全使用、寿命延长和性能优化至关重要。

SOC曲线，也称为开路电压（OCV）曲线，是电池荷电状态与其开路电压（没有负载时的电压）之间的关系图。SOC曲线通常是非线性的，在不同的SOC区间，电压随电量变化的速率不同。SOC曲线可以帮助确定电池的安全工作范围，避免电池过充或过放，这两者都可能对电池造成不可逆的损害。SOC曲线示意图如下：

3.2 SOH估计

(1) SOH定义

SOH（State of Health）是电池健康状态的指标，用于评估电池的性能和寿命。SOH 在 BMS 中扮演着重要的作用，是电池老化程度的重要反映指标， SOH 估计研究对于电池的安全预警、维护管理以及剩余寿命(Remaining useful life, RUL)预测是至关重要的。

目前，电池SOH 定义主要有以下两种方式：

容量定义：随着老化程度的加剧，电池容量不断衰减，容量定义通过电池当前的可用容量与电池初始的额定容量之比来表征SOH[37]，如下式所示：

式中， 𝑆𝑂𝐻C表示容量定义下的电池 SOH； 𝐶current表示电池当前的可用容量； 𝐶new表示的是新电池的可用容量。

内阻定义：电池老化的另一个表现则为电池内阻的增加，因此， SOH 的内阻定义如下式所示：

式中， 𝑆𝑂𝐻R表示内阻定义下的电池 SOH； 𝑅EOL表示电池达到寿命结束时的内阻； 𝑅current表示电池当前的内阻；𝑅new表示新电池的内阻。

(2) SOC估计方法

然而锂离子电池内部具有非常复杂的电化学特性和高度的非线性时变性，这都加大了电池SOH 估计的难度。按照现有研究可以分为直接测量法、模型法、数据驱动法以及混合方法。

(3) 锂离子电池老化机理

电池在正常使用过程中，由于循环次数的增多以及外部运行环境因素的影响，老化是不可避免的。电池老化对其造成最直观的影响就是电池可用容量的损失以及输出功率的衰减，因此，研究和分析锂离子电池的老化机理对于提高电池健康水平，延长电池的循环寿命具有重要意义。根据发生位置的不同，锂离子电池老化机理主要分为正极活性材料损失、负极活性材料损失、可循环锂损失

3.3 主动均衡与被动均衡

**被动均衡：**一般采用电阻放热（电容载体）的方式将高容量电池"多出的电量"进行释放，从而达到均衡的目的，电路简单可靠，成本较低，但是电池效率也较低。

**主动均衡：**充电时将多余电量转移至高容量电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯，可提高使用效率，但是成本更高，电路复杂，可靠性低。未来随着电芯的一致性的提高，对被动均衡的需求可能会降低。

3.4 电池热管理

电池对温度敏感性很高，当气候炎热或锂离子电池处于散热不良的情况下时，锂离子电池产生的

热量会导致自身温度过高，这对锂离子电池的耐用性、安全性和性能产生负面的影响。低温下锂离子电池离子迁移速度降低，这使得其在低温下的性能较差。因此，高效的热管理系统是使电池保持性能的重要措施。根据冷却介质的不同，电池的主要冷却方式可以分为空气冷却、液体冷却、PCM冷却、热管冷却。

4 BMS架构

目前BMS架构主要分为集中式架构和分布式架构

4.1 集中式BMS

集中式BMS架构将所有电气部件集中在一块板子上，包括单体电压和温度的采样芯片。它的优点是设计相对简单，成本较低，通常适用于低压的混合动力电动汽车（HEV）。然而，它的缺点在于单体采样线束较长，可能导致采样导线设计复杂，长线和短线在均衡时产生额外的电压压降，整个电池包的线束排布也相对麻烦，采样通道数有限，适用于较小的电池包。

4.2 分布式BMS

分布式BMS架构包括主板（BMU）和从板（CSC采样芯片），在三级架构中可能还有显控。它的优点是简化了模组装配过程，采样线束改动容易，线束距离均匀。其缺点是成本较高，需要额外的MCU和独立的CAN总线方式来将各个模块的信息发送给BMS。

参考论文

[1] 徐俊,郭喆晨,谢延敏,等. 储能锂电池系统综合管理研究进展 [J/OL]. 西安交通大学学报, 1-19[2024-07-11].

[2] 杨博,钱玉村. 锂离子电池健康状态估计综述 [J/OL]. 昆明理工大学学报(自然科学版), 1-20[2024-07-11].