乘用車不可或缺的電池管理系統(tǒng)BMS

電池管理系統(tǒng)（BMS）是現(xiàn)代電池供電設(shè)備和電動汽車（EV）中不可或缺的組件，很多人可能認(rèn)為BMS只存在于電池驅(qū)動的乘用車中，實際上即使是最傳統(tǒng)的12V鉛酸電池依然存在簡單的BMS系統(tǒng)確保供電安全，這就意味著從2000年以后的乘用車都離不開電池管理系統(tǒng)的作用，隨著以電池作為提供動力主體的電動汽車逐漸成為市場新增長趨勢，BMS在乘用車中的作用越來越重要。

汽車電池管理系統(tǒng)市場分為鋰離子、鉛酸、鎳基等。到 2024 年，鋰離子細(xì)分市場將占據(jù) 59% 的市場份額。2024 年，全球汽車電池管理系統(tǒng)市場規(guī)模為 47 億美元，預(yù)計 2025 年至 2034 年期間將以 18.4% 的復(fù)合年增長率增長，這個速度遠(yuǎn)超任何BMS行業(yè)的速度以及汽車電子細(xì)分市場的速度（除了無法詳細(xì)統(tǒng)計的自動駕駛）。

認(rèn)識BMS

車載的BMS與傳統(tǒng)的BMS從基本功能上并沒有太多差異，首先，BMS 通過監(jiān)測電壓、電流和溫度等各種參數(shù)來確保電池的安全高效運行，從而防止過充、過放和過熱，從而導(dǎo)致性能下降、壽命縮短，甚至火災(zāi)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了電池壽命，這對于消費電子產(chǎn)品和電動汽車滿足性能期望和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)都至關(guān)重要。此外，隨著對電動汽車和可再生能源存儲系統(tǒng)的需求增長，在電池密度短期內(nèi)幾乎沒有任何大幅度提升的前提下，BMS系統(tǒng)在推進電池供電系統(tǒng)效率和充電效率方面的價值日漸重要，車用BMS在維護和監(jiān)控EV和HEV電池組的運行過程中，可確保最佳效率、安全性和使用壽命，它們負(fù)責(zé)監(jiān)控重要的電池指標(biāo)（例如溫度、電壓和電流），從而降低與過度充電、過熱和短路相關(guān)的風(fēng)險。此外，BMS 增強了充電和放電過程，以延長電池的使用壽命并優(yōu)化其性能，從而延長行駛里程并提高車輛可靠性。高級 BMS 監(jiān)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(xiàn)代 BMS 的主要作用（如圖 1 所示）包括了幾個方面：

• 為防止過度充電、過熱、短路等危險情況，可能導(dǎo)致電池故障甚至火災(zāi);

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

• 確保妥善管理電池健康，延長電池使用壽命，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(shù)范圍內(nèi)運行，保持一致的性能和可靠性;

• 通過促進電動汽車的廣泛采用，間接為可持續(xù)交通的更廣泛目標(biāo)做出貢獻。

圖 1 一個非常典型的 BMS

即使是車身的BMS同樣表現(xiàn)出相當(dāng)大的多樣性。只有根據(jù)幾個標(biāo)準(zhǔn)對 BMS 進行分類，包括它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能、通信協(xié)議以及它們設(shè)計管理的特定電池類型，才能對 BMS 進行全面理解。

集中式 BMS是此類系統(tǒng)中最簡單的。所有監(jiān)測和控制功能均由單個控制器處理。電池單元中的傳感器和監(jiān)控設(shè)備將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到唯一的中央控制器。這種系統(tǒng)緊湊而實用;但是，隨著電池模塊數(shù)量的增加，輸入端口的數(shù)量也會增加，從而導(dǎo)致過多的布線、布線和連接器。這可能會使故障排除和維護過程復(fù)雜化。當(dāng)應(yīng)用分布式 BMS 時，每個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復(fù)雜性，使其適用于電動汽車中使用的大型電池組。這種方法的主要缺點是成本高，維護要求高。集中式和分布式系統(tǒng)可以組合在模塊化 BMS 中。在這種高級情況下，多個電池模塊由與中央單元接口的本地化控制器進行分組和管理。這種方法在系統(tǒng)靈活性、復(fù)雜性和價格之間提供了最佳平衡。

圖 2.幾種BMS結(jié)構(gòu)的基本類型。

BMS 還可以根據(jù)應(yīng)用的通信協(xié)議進行分類。有線 BMS 使用物理電纜實現(xiàn) Cell 與主控制器之間的通信。有線系統(tǒng)通常是可靠的，但會增加質(zhì)量、復(fù)雜性和價格。更先進的系統(tǒng)包括無線 BMS，其中消除了物理線，從而提供了更大的靈活性，并減少了對導(dǎo)體的需求和系統(tǒng)的整體質(zhì)量。但是，它們?nèi)菀资艿叫盘柛蓴_和延遲。

BMS的發(fā)展緊跟電動車市場需求的步伐

電池驅(qū)動的乘用車是BMS施展價值的主要舞臺，在電池驅(qū)動汽車結(jié)構(gòu)中，BMS作為電能分配和運行的管家，決定著整個動力和能耗系統(tǒng)的上限。 

除了常規(guī)的小型化和集成化趨勢之外，以下三個主要方向是電池驅(qū)動乘用車中BMS系統(tǒng)主要技術(shù)改進的重點。

1. 提高電動汽車的采用率：提高電動汽車的效率、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)化電動汽車的能源儲存和利用，以改善其與可再生能源系統(tǒng)的集成。

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

安全仍然是 BMS 開發(fā)的重中之重。現(xiàn)代安全特性包括實時故障檢測、隔離機制和先進的保護電路，以防止過充電、過放電和短路。在硬件冗余方面，通過在BMS系統(tǒng)中設(shè)置多個冗余的硬件單元，如備用的控制芯片、傳感器等，當(dāng)某個硬件出現(xiàn)故障時，備用單元可以立即接管工作，確保系統(tǒng)的正常運行。軟件的冗余同樣重要，通過采用多重軟件防護機制，如備份不同版本的控制軟件、設(shè)置軟件容錯機制等，防止軟件出現(xiàn)漏洞或故障導(dǎo)致系統(tǒng)失控。BMS系統(tǒng)的安全并不簡單的是系統(tǒng)內(nèi)的工作安全，隨著車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷普及，BMS的網(wǎng)絡(luò)安全同樣不可忽視。通過加密通信、身份驗證、入侵檢測等技術(shù)，防范黑客攻擊和數(shù)據(jù)泄露，保護電池系統(tǒng)和車輛的安全。 

BMS現(xiàn)在集成了先進的監(jiān)控和診斷工具，以持續(xù)評估電池的 SOC 和 SOH。通過改進這些系統(tǒng)，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測潛在的故障，優(yōu)化電池的使用，從而延長電池壽命。除傳統(tǒng)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(yīng)用于BMS，提高電池狀態(tài)監(jiān)測的精度和準(zhǔn)確性。通過多傳感器融合技術(shù)，BMS能夠更全面地感知電池的狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，實現(xiàn)電池狀態(tài)的精準(zhǔn)預(yù)測和故障預(yù)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(tǒng)和熱調(diào)節(jié)的創(chuàng)新有助于防止過熱并確保電池在最佳溫度范圍內(nèi)運行。另一方面，自適應(yīng)充電算法不斷開發(fā)，以根據(jù)電池的狀況和使用模式優(yōu)化充電過程。這顯著提高了充電效率，同時減少了電池的磨損，進一步延長了其使用壽命。

車用BMS的新趨勢 

相比于其他BMS系統(tǒng)，車用BMS因其應(yīng)用環(huán)境與應(yīng)用價值，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(tǒng)BMS的應(yīng)用范疇。

比如，BMS 越來越多地與其他 EV 系統(tǒng)集成，例如動力總成和能源管理系統(tǒng)。這種集成增強了能源使用的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，進一步提高了車輛的效率和性能。特別是在增程式系統(tǒng)中涵蓋了電池放電與車內(nèi)電池自充電兩套動力系統(tǒng)，如果BMS系統(tǒng)能夠更好地介入動力總成應(yīng)用中，以及參與到能量回收系統(tǒng)中，就可以大幅提升能源利用效率，極大地增加車輛的續(xù)航。

無線電池管理系統(tǒng)（BMS）使用無線通信技術(shù)監(jiān)控和控制電池的性能、安全性和使用壽命。無線BMS省去了電池單元和BMS之間的連接線，用 Wi-Fi、射頻 （RF） 和藍(lán)牙技術(shù)在電池單元和BMS之間傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的有線BMS系統(tǒng)通常安裝復(fù)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和布線。無線BMS可以簡化 BMS安裝和維護、降低接線錯誤的風(fēng)險以及支持從遠(yuǎn)程位置實時監(jiān)控和管理電池。無線BMS系統(tǒng)提供了增加的電池放置和設(shè)計靈活性，以及成本和安裝優(yōu)勢，更重要的是減少了線纜的重量和可能帶來的安全隱患，雖然新能源車的自燃多數(shù)不是因線纜引起（傳統(tǒng)燃油車自燃的主要原因之一），但降低線纜對汽車設(shè)計者來說絕對是好消息。

與無線BMS相關(guān)的另一個趨勢是BMS將更廣泛地采用云連接技術(shù)，實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷。用戶可以通過手機或電腦隨時隨地查看電池狀態(tài)，制造商也能進行遠(yuǎn)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(dāng)然，BMS同樣離不開與AI的結(jié)合，智能駕駛并不只是對駕駛體驗的智能化，同樣展現(xiàn)在整車系統(tǒng)的智能輔助方面。智能化與AI深度融合的BMS系統(tǒng)，將更廣泛地利用深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)算法，通過對海量電池運行數(shù)據(jù)的分析，精準(zhǔn)預(yù)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，實現(xiàn)電池的智能管理和優(yōu)化。利用 AI 模型學(xué)習(xí)電池在不同工況下的性能表現(xiàn)，動態(tài)調(diào)整電池管理策略，如根據(jù)路況、駕駛習(xí)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(shù)據(jù)分析，能夠自動識別電池的潛在故障和異常，提前進行預(yù)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(yīng)這樣的智能化趨勢，BMS的架構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，分布式架構(gòu)的BMS將更加普及。在每個電池模塊或電芯上部署微型計算單元，利用邊緣計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地快速處理和分析，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。另一方面，BMS將朝著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芯片或模塊中，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。模塊化設(shè)計則使BMS能夠靈活適應(yīng)不同類型和規(guī)模的電池系統(tǒng)，方便進行模塊替換和擴展。

還有更多的期待

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

其一是在中國市場似乎發(fā)展并不很好的車與電網(wǎng)互通。在日本這方面應(yīng)用比較廣泛，BMS不斷開發(fā)以支持車輛到電網(wǎng) （V2G） 技術(shù)，使電動汽車能夠?qū)Υ娴哪芰糠祷仉娋W(wǎng)。這不僅有助于在需求高峰期穩(wěn)定電網(wǎng)，而且還為電動汽車車主提供了通過出售多余能源來賺取收入的潛力。同樣，正在對與電動汽車相關(guān)的家用電池系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)可以與太陽能電池板和其他可再生能源集成，為“自制”電能充電。通過適當(dāng)管理的電流，電動汽車車主的家庭可以最大限度地利用可再生能源。

第二個方向是標(biāo)準(zhǔn)化問題。汽車標(biāo)準(zhǔn)化一直是個很尷尬的話題，特別是硬件的標(biāo)準(zhǔn)化，各個廠商各懷心思，很不愿意去做標(biāo)準(zhǔn)化。不過隨著電動車的ASIL功能安全體系認(rèn)證，標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性的進程被廣泛期待，比如隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的不斷變化，BMS的標(biāo)準(zhǔn)化進程將加快，以實現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互操作性，降低系統(tǒng)集成難度和成本。標(biāo)準(zhǔn)化有助于打破行業(yè)壁壘，促進電池制造商、整車廠商、零部件供應(yīng)商等之間的合作與協(xié)同創(chuàng)新，推動整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其他再比如推動BMS采用統(tǒng)一的接口和通信協(xié)議，提高設(shè)備的兼容性和互操作性，促進電池技術(shù)的推廣應(yīng)用，特別是隨著寧德時代加入換電陣營，業(yè)界呼吁不同廠商的電池和 BMS 能夠相互兼容和對接，方便系統(tǒng)集成和維護。實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性后，企業(yè)可以更自由地選擇供應(yīng)商和合作伙伴，提高市場競爭程度，從而降低 BMS 的研發(fā)、生產(chǎn)和采購成本。