乘用車(chē)不可或缺的電池管理系統BMS

電池管理系統（BMS）是現代電池供電設備和電動(dòng)汽車(chē)（EV）中不可或缺的組件，很多人可能認為BMS只存在于電池驅動(dòng)的乘用車(chē)中，實(shí)際上即使是最傳統的12V鉛酸電池依然存在簡(jiǎn)單的BMS系統確保供電安全，這就意味著(zhù)從2000年以后的乘用車(chē)都離不開(kāi)電池管理系統的作用，隨著(zhù)以電池作為提供動(dòng)力主體的電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為市場(chǎng)新增長(cháng)趨勢，BMS在乘用車(chē)中的作用越來(lái)越重要。

汽車(chē)電池管理系統市場(chǎng)分為鋰離子、鉛酸、鎳基等。到 2024 年，鋰離子細分市場(chǎng)將占據 59% 的市場(chǎng)份額。2024 年，全球汽車(chē)電池管理系統市場(chǎng)規模為 47 億美元，預計 2025 年至 2034 年期間將以 18.4% 的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，這個(gè)速度遠超任何BMS行業(yè)的速度以及汽車(chē)電子細分市場(chǎng)的速度（除了無(wú)法詳細統計的自動(dòng)駕駛）。

認識BMS

車(chē)載的BMS與傳統的BMS從基本功能上并沒(méi)有太多差異，首先，BMS 通過(guò)監測電壓、電流和溫度等各種參數來(lái)確保電池的安全高效運行，從而防止過(guò)充、過(guò)放和過(guò)熱，從而導致性能下降、壽命縮短，甚至火災或爆炸等安全隱患。其次，BMS 優(yōu)化了電池的使用，提高了整體能源效率并延長(cháng)了電池壽命，這對于消費電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)足性能期望和可持續發(fā)展目標都至關(guān)重要。此外，隨著(zhù)對電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源存儲系統的需求增長(cháng)，在電池密度短期內幾乎沒(méi)有任何大幅度提升的前提下，BMS系統在推進(jìn)電池供電系統效率和充電效率方面的價(jià)值日漸重要，車(chē)用BMS在維護和監控EV和HEV電池組的運行過(guò)程中，可確保最佳效率、安全性和使用壽命，它們負責監控重要的電池指標（例如溫度、電壓和電流），從而降低與過(guò)度充電、過(guò)熱和短路相關(guān)的風(fēng)險。此外，BMS 增強了充電和放電過(guò)程，以延長(cháng)電池的使用壽命并優(yōu)化其性能，從而延長(cháng)行駛里程并提高車(chē)輛可靠性。高級 BMS 監控電池的關(guān)鍵狀態(tài)，例如充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH）。 

現代 BMS 的主要作用（如圖 1 所示）包括了幾個(gè)方面：

• 為防止過(guò)度充電、過(guò)熱、短路等危險情況，可能導致電池故障甚至火災;

• 優(yōu)化充電和放電循環(huán)以提高電池組的整體效率，從而延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程;

• 確保妥善管理電池健康，延長(cháng)電池使用壽命，減少頻繁更換的需要，并降低對環(huán)境的影響;

• 確保電池在其最佳參數范圍內運行，保持一致的性能和可靠性;

• 通過(guò)促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛采用，間接為可持續交通的更廣泛目標做出貢獻。

圖 1 一個(gè)非常典型的 BMS

即使是車(chē)身的BMS同樣表現出相當大的多樣性。只有根據幾個(gè)標準對 BMS 進(jìn)行分類(lèi)，包括它們的拓撲結構、功能、通信協(xié)議以及它們設計管理的特定電池類(lèi)型，才能對 BMS 進(jìn)行全面理解。

集中式 BMS是此類(lèi)系統中最簡(jiǎn)單的。所有監測和控制功能均由單個(gè)控制器處理。電池單元中的傳感器和監控設備將數據直接發(fā)送到唯一的中央控制器。這種系統緊湊而實(shí)用;但是，隨著(zhù)電池模塊數量的增加，輸入端口的數量也會(huì )增加，從而導致過(guò)多的布線(xiàn)、布線(xiàn)和連接器。這可能會(huì )使故障排除和維護過(guò)程復雜化。當應用分布式 BMS 時(shí)，每個(gè)電池模塊都有自己的控制單元，它與主控制器通信。這更具可擴展性并降低了布線(xiàn)復雜性，使其適用于電動(dòng)汽車(chē)中使用的大型電池組。這種方法的主要缺點(diǎn)是成本高，維護要求高。集中式和分布式系統可以組合在模塊化 BMS 中。在這種高級情況下，多個(gè)電池模塊由與中央單元接口的本地化控制器進(jìn)行分組和管理。這種方法在系統靈活性、復雜性和價(jià)格之間提供了最佳平衡。

圖 2.幾種BMS結構的基本類(lèi)型。

BMS 還可以根據應用的通信協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)。有線(xiàn) BMS 使用物理電纜實(shí)現 Cell 與主控制器之間的通信。有線(xiàn)系統通常是可靠的，但會(huì )增加質(zhì)量、復雜性和價(jià)格。更先進(jìn)的系統包括無(wú)線(xiàn) BMS，其中消除了物理線(xiàn)，從而提供了更大的靈活性，并減少了對導體的需求和系統的整體質(zhì)量。但是，它們容易受到信號干擾和延遲。

BMS的發(fā)展緊跟電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)需求的步伐

電池驅動(dòng)的乘用車(chē)是BMS施展價(jià)值的主要舞臺，在電池驅動(dòng)汽車(chē)結構中，BMS作為電能分配和運行的管家，決定著(zhù)整個(gè)動(dòng)力和能耗系統的上限。 

除了常規的小型化和集成化趨勢之外，以下三個(gè)主要方向是電池驅動(dòng)乘用車(chē)中BMS系統主要技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)。

1. 提高電動(dòng)汽車(chē)的采用率：提高電動(dòng)汽車(chē)的效率、安全性和電池壽命，以支持其更高的采用率。

2. 與可再生能源資源的整合：優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的能源儲存和利用，以改善其與可再生能源系統的集成。

3. 網(wǎng)絡(luò )安全：加強網(wǎng)絡(luò )安全措施，隨著(zhù) BMS 變得更加互聯(lián)和容易受到各種數字威脅，這些措施變得越來(lái)越重要。 

安全仍然是 BMS 開(kāi)發(fā)的重中之重?，F代安全特性包括實(shí)時(shí)故障檢測、隔離機制和先進(jìn)的保護電路，以防止過(guò)充電、過(guò)放電和短路。在硬件冗余方面，通過(guò)在BMS系統中設置多個(gè)冗余的硬件單元，如備用的控制芯片、傳感器等，當某個(gè)硬件出現故障時(shí)，備用單元可以立即接管工作，確保系統的正常運行。軟件的冗余同樣重要，通過(guò)采用多重軟件防護機制，如備份不同版本的控制軟件、設置軟件容錯機制等，防止軟件出現漏洞或故障導致系統失控。BMS系統的安全并不簡(jiǎn)單的是系統內的工作安全，隨著(zhù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統的不斷普及，BMS的網(wǎng)絡(luò )安全同樣不可忽視。通過(guò)加密通信、身份驗證、入侵檢測等技術(shù)，防范黑客攻擊和數據泄露，保護電池系統和車(chē)輛的安全。 

BMS現在集成了先進(jìn)的監控和診斷工具，以持續評估電池的 SOC 和 SOH。通過(guò)改進(jìn)這些系統，可以更準確地預測潛在的故障，優(yōu)化電池的使用，從而延長(cháng)電池壽命。除傳統的電壓、電流和溫度傳感器外，壓力傳感器、聲波傳感器、紅外傳感器等高精度傳感器將更多地應用于BMS，提高電池狀態(tài)監測的精度和準確性。通過(guò)多傳感器融合技術(shù)，BMS能夠更全面地感知電池的狀態(tài)，提前發(fā)現潛在風(fēng)險，實(shí)現電池狀態(tài)的精準預測和故障預警。有效的熱管理對于保持電池性能和安全性也至關(guān)重要。BMS 中冷卻系統和熱調節的創(chuàng )新有助于防止過(guò)熱并確保電池在最佳溫度范圍內運行。另一方面，自適應充電算法不斷開(kāi)發(fā)，以根據電池的狀況和使用模式優(yōu)化充電過(guò)程。這顯著(zhù)提高了充電效率，同時(shí)減少了電池的磨損，進(jìn)一步延長(cháng)了其使用壽命。

車(chē)用BMS的新趨勢 

相比于其他BMS系統，車(chē)用BMS因其應用環(huán)境與應用價(jià)值，逐漸衍生出更多新的技術(shù)發(fā)展趨勢，已經(jīng)完全超越了傳統BMS的應用范疇。

比如，BMS 越來(lái)越多地與其他 EV 系統集成，例如動(dòng)力總成和能源管理系統。這種集成增強了能源使用的協(xié)調和優(yōu)化，進(jìn)一步提高了車(chē)輛的效率和性能。特別是在增程式系統中涵蓋了電池放電與車(chē)內電池自充電兩套動(dòng)力系統，如果BMS系統能夠更好地介入動(dòng)力總成應用中，以及參與到能量回收系統中，就可以大幅提升能源利用效率，極大地增加車(chē)輛的續航。

無(wú)線(xiàn)電池管理系統（BMS）使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)監控和控制電池的性能、安全性和使用壽命。無(wú)線(xiàn)BMS省去了電池單元和BMS之間的連接線(xiàn)，用 Wi-Fi、射頻 （RF） 和藍牙技術(shù)在電池單元和BMS之間傳輸數據。傳統的有線(xiàn)BMS系統通常安裝復雜且成本高昂，并且包括電池單元和管理單元之間的大量布線(xiàn)和布線(xiàn)。無(wú)線(xiàn)BMS可以簡(jiǎn)化 BMS安裝和維護、降低接線(xiàn)錯誤的風(fēng)險以及支持從遠程位置實(shí)時(shí)監控和管理電池。無(wú)線(xiàn)BMS系統提供了增加的電池放置和設計靈活性，以及成本和安裝優(yōu)勢，更重要的是減少了線(xiàn)纜的重量和可能帶來(lái)的安全隱患，雖然新能源車(chē)的自燃多數不是因線(xiàn)纜引起（傳統燃油車(chē)自燃的主要原因之一），但降低線(xiàn)纜對汽車(chē)設計者來(lái)說(shuō)絕對是好消息。

與無(wú)線(xiàn)BMS相關(guān)的另一個(gè)趨勢是BMS將更廣泛地采用云連接技術(shù)，實(shí)現電池數據的遠程監測和診斷。用戶(hù)可以通過(guò)手機或電腦隨時(shí)隨地查看電池狀態(tài)，制造商也能進(jìn)行遠程故障診斷和軟件升級?；谠七B接技術(shù)，制造商可以提供更加智能、高效的運維服務(wù)，提高售后服務(wù)質(zhì)量和效率。 

當然，BMS同樣離不開(kāi)與AI的結合，智能駕駛并不只是對駕駛體驗的智能化，同樣展現在整車(chē)系統的智能輔助方面。智能化與AI深度融合的BMS系統，將更廣泛地利用深度學(xué)習和機器學(xué)習算法，通過(guò)對海量電池運行數據的分析，精準預測電池的剩余使用壽命（SOH）、充電狀態(tài)（SOC）和功率狀態(tài)（SOP）等，實(shí)現電池的智能管理和優(yōu)化。利用 AI 模型學(xué)習電池在不同工況下的性能表現，動(dòng)態(tài)調整電池管理策略，如根據路況、駕駛習慣等優(yōu)化充放電策略，提升電池的能量效率和整體性能。此外，基于大數據分析，能夠自動(dòng)識別電池的潛在故障和異常，提前進(jìn)行預警和診斷，降低維護成本，提高電池的可靠性和使用壽命。

為了適應這樣的智能化趨勢，BMS的架構也在不斷創(chuàng )新，分布式架構的BMS將更加普及。在每個(gè)電池模塊或電芯上部署微型計算單元，利用邊緣計算實(shí)現數據的本地快速處理和分析，提高系統的響應速度和可靠性。另一方面，BMS將朝著(zhù)高度集成化和模塊化方向發(fā)展，將更多的功能集成到一個(gè)芯片或模塊中，提高系統的整體性能和可靠性。模塊化設計則使BMS能夠靈活適應不同類(lèi)型和規模的電池系統，方便進(jìn)行模塊替換和擴展。

還有更多的期待

除了上述技術(shù)趨勢之外，還有兩個(gè)值得關(guān)注但又充滿(mǎn)爭議的方向。

其一是在中國市場(chǎng)似乎發(fā)展并不很好的車(chē)與電網(wǎng)互通。在日本這方面應用比較廣泛，BMS不斷開(kāi)發(fā)以支持車(chē)輛到電網(wǎng) （V2G） 技術(shù)，使電動(dòng)汽車(chē)能夠將儲存的能量返回電網(wǎng)。這不僅有助于在需求高峰期穩定電網(wǎng)，而且還為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主提供了通過(guò)出售多余能源來(lái)賺取收入的潛力。同樣，正在對與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的家用電池系統進(jìn)行研究，該系統可以與太陽(yáng)能電池板和其他可再生能源集成，為“自制”電能充電。通過(guò)適當管理的電流，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的家庭可以最大限度地利用可再生能源。

第二個(gè)方向是標準化問(wèn)題。汽車(chē)標準化一直是個(gè)很尷尬的話(huà)題，特別是硬件的標準化，各個(gè)廠(chǎng)商各懷心思，很不愿意去做標準化。不過(guò)隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)的ASIL功能安全體系認證，標準化和互操作性的進(jìn)程被廣泛期待，比如隨著(zhù)電池技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷變化，BMS的標準化進(jìn)程將加快，以實(shí)現不同廠(chǎng)商設備的互操作性，降低系統集成難度和成本。標準化有助于打破行業(yè)壁壘，促進(jìn)電池制造商、整車(chē)廠(chǎng)商、零部件供應商等之間的合作與協(xié)同創(chuàng )新，推動(dòng)整個(gè)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其他再比如推動(dòng)BMS采用統一的接口和通信協(xié)議，提高設備的兼容性和互操作性，促進(jìn)電池技術(shù)的推廣應用，特別是隨著(zhù)寧德時(shí)代加入換電陣營(yíng)，業(yè)界呼吁不同廠(chǎng)商的電池和 BMS 能夠相互兼容和對接，方便系統集成和維護。實(shí)現標準化和互操作性后，企業(yè)可以更自由地選擇供應商和合作伙伴，提高市場(chǎng)競爭程度，從而降低 BMS 的研發(fā)、生產(chǎn)和采購成本。