电池管理系统

电池管理系统（BMS）对不同的人有不同的用途。在一些方面它只是简单的电池监测，在充电和放电过程中对电池的关键参数进行监测，如电压、电流、电池温度、外部温度。监控电路一般可以提供输入给保护装置，用于在负载或者充电器的任何参数超出设定值时发出报警或断开连接。

对于电力和电站工程师来说，电池管理系统是在船舶断电情况下为设备和通信系统供电的最后保障。BMS不仅需要对电池的监控和保护，也要保证在需要是能够提供充足电力，并延长供电时间和电池寿命。这些都在电池充电维护管理计划中进行控制。

对于自动化工程师来说，BMS是综合的快速响应的能量消耗管理系统的重要组成部分，并需要在其它船用设备，例如主机遥控、环境控制、通信系统和安全系统的显示界面中进行显示。

这就是BMS具有很多种类的原因。

设计BMS

为保证电池控制的性能和从安全方面考虑，必须先明白什么是需要控制的和为什么它们需要被控制。这就需要对电池的化学原理、工作特性和故障模式（特别是锂电池的）有深入的了解，不能简单地将电池当成一个黑盒子来看。

注：黑盒子只在设计或使用中，不考虑某一设备或单元的内部结构及原理，只考虑其输入和输出特性。

BMS的结构组成

一般的电池管理系统有三个基本的组成

∙ 保护电池或蓄电池不受损害

∙ 延长蓄电池的寿命

∙ 在需要时维护处于混乱状态的电池组。

为达到以上目标，电池管理系统需要满足一个或多个一下功能。

∙ 电池保护。所有的BMS陈旭能够保护电池免于超出范围的操作条件引起的伤害。实际上BMS必须对与电池任何可能受到的损害提供完整的保护。对电池进行超出其设计极限的操作将不可避免的导致其故障。避免这些故障，将节省更换电池的费用。尤其是对于高电流和高动力输出，且在恶劣工作环境中被使用者滥用的情况下。

∙ 充电控制。这是BMS的基本功能。不恰当的充电是造成蓄电池损坏的最重要原因。

∙ 需求管理。电池组并不是直接与操作系统连接，需求管理提供电池所需的指令，其目的是通过在应用电路中使用节省电池能源的技术来减少电流损耗，以延长电池两次充电之间的间隔。

∙ 充电情况监测。很多程序需要电池组或单个电池在电池组中的充电情况方面的知识。这可以提供使用者一个电池剩余电量的指示，或者为控制电路提供信息，以保证充电进程的最优控制。

∙ 健康情况监测。该功能用于测量电池组的额定输出性能。这是评价应急动力系统能力的指标，也是判断是否需要进行维护的依据。

∙ 电池均衡。在多个电池组成的电池组中，由于制造容差或充放电周期中的工作情况会造成电池的微小差异，较弱的电池在放电过程中会超额负载，使之变得更弱，直到最终使电池组过早失效。

∙ 历史记录功能。记录电池组的历史数据，用于评估电池组的健康情况，也用于判断是否被错误私用。为以后的评估包括使用次数、最大和最小电压、温度和最大充放电电流等参数。

∙ 识别和鉴定。提供关于电池的制造商机型名称、化学测试、序列号、生产日期等信息。

∙ 通信。BMS包括电池组和充电装置、测试设备之间的几种通信方式。以及提供给显示界面的监控、状况和历史信息。通信部分也需要能够允许使用者设置修改电池组的控制参数、诊断或测试。

  下面举例说明三种不同非常不同的BMS程序。

智能电池

可充放电的镍镉和镍氢电池的寿命可通过置于电池组和充电设备之间的智能充电系统延长。电池提供其规格、当前状况和使用历史等信息给充电装置，一共实现最佳充电方案，或控制其使用方式。

电池和充电设备形成结合体的主要目的是提供一个更大方位的电路保护，用于防止过充电或损坏，从而延长电池的寿命。充电控制能够安装于电池组中或充电设备中。应用程序和电池组的组合的目的是防止过载和维护电池组。与此相似，放电控制也可以安装在应用程序中或电池组中。

尽管一些特殊的电池中集成的智能部分已经进步，上述组合仍然更多的在电池组中应用。

  系统工作方式如下：

智能型的电池组通过电池组内部传感器提供充电时的真实的电压、电流和温度情况。也可以在超出范围时提供报警功能。

智能电池同样包含一个记忆卡，包括供应商提供的程序，以及规格说明等信息：

∙ 出厂信息

∙ 电池化学成分

∙ 容量

∙ 外形尺寸

∙ 电压上限和下限

∙ 最大电流限

∙ 温度限

  当电池在使用时，内存也记录：

∙ 充放电次数

∙ 运行时间

∙ 内部电阻值

∙ 温度特性曲线

∙ 冷却回路的操作信息

∙ 超出限值信息

   系统要求电池或充电装置中的设备在特定规则组中可被中止后修改。同样，应用程序中也可以对电池放电情况进行管理。

智能电池需要智能充电装置配合。

 充电装置被设计为根据电池组的输入进行响应，为充分利用充电属性，会以最大的从点比率进行充电，直到温度达到设定值，然后放缓或停止充电，或接通散热风扇，以保证不超过温度限值。以避免对电池的永久损伤。如果电池的输入电阻出现永久性损伤，则充电器需要必须执行几次充分的充放电程序。有可能会建立一个协议，使充电装置有对电池的自适应能力。

 电池和充电器间需要通过单独的通信通道进行交互。一个例子就是SM总线，作为灵便电池的组成部分，主要用于低功率应用。电池组同样遵循智能电池的SBS标准。智能电池不仅限于SMS计划，很多应用上根据应用要求，使用自己定义的简单的或更为复杂的协议。

 采用以下技术可以提高电池50%的使用寿命。

自动控制系统

自动控制系统提供会比较电池的实际数据和预期数据之间的差异，生成一个偏差信号，用于使实际数据被调整到预期值。控制信号通过反馈回路提供自动补偿来保证电池在设定参数变化范围之内。整个过程不需要人工干预。这是BMS的精华部分之一。

电池报警

智能电池可向操作者和其上层系统提供信息。它提供的信号可用来电量报警灯或通知使用者电池组的状态和剩余电量。

电池状态监测是BMS的一个基本功能。在接下来的两个例子中，控制功能是手动的，并由电力系统的工程师完成故障维护。第二个例子中，电池组是自动控制系统的组成部分，通过几个内部连接的反馈回路控制电池组，并作为整个交通工具的能源管理系统的一个组成部分。

发电装置的电能管理系统

本系统与备用或应急的电源的电池管理系统有很大不同。本系统中的电池可能长时间的不时的充电，或在通信设备中，可能被长一直保持在充满状态。处于本质考虑，他们需要一直保持在使用状态。管理的基本责任是要保证在供电中断时能够给设备可靠的电源供应。所以，必须明确电池的健康情况和充电情况。锂电池可以通过测量电解液比重来获得电容量等信息。但是对于大型系统来说，这是很不方便的，一次测试需要约8小时来完全放电，并需要另外三小时再次充满。在此期间，如果没有备用电池，应急电力系统将失去作用。

 目前的寿命测试方式是通过阻抗测试或电导系数测试。可在不用放电的情况下测试。最好是通过监测设备在线测量和评估。可以使工程师获得最新的电池状态信息，这样电池的故障信息可被探测，可以及时进行一些维护措施。

汽车的电池管理系统

汽车电池管理系统相比之下要求更为苛刻。它需要连接到其他系统中，必须实时迅速变换充电和放电状态。

当交通工具加油和刹车，以及工作在恶劣或不受控的工作环境中，这个例子讲描述一个可能的复杂的混合系统，不是每个系统都会要求所有的这些功能。

适合电动汽车的BMS系统功能如下：

∙ 组成电池组的单个电池的状态监测

∙ 保证每个电池都在其操作限制之内

∙ 保护电池免于超出限制的情况

∙ 为失控、通信失效和野蛮操作情形提供一个故障保护装置

∙ 在紧急情况下切断对外联系

∙ 保证电池组中每个电池的平衡

∙ 设置对过充电的反馈制动装置，以提供保护

∙ 动力剩余指示功能

∙ 提供电池寿命指示

∙ 为仪表和报警提供信息

∙ 预测剩余电量

∙ 能够接受相关车辆系统的控制信号

∙ 提供电池的最佳充电算法

∙ 允许接通前的负载阻抗测试，并能限制侵入电流

∙ 具有能够对单个电池充电的通道

∙ 能够对车辆运行模式进行响应

∙ 有记录功能

∙ 电池损坏情况下有应急的缓慢行驶模式

   在实际的BMS中，会提供更多的功能。可以根据车辆的操作模式要求，在加速、刹车、空档和停车状态下提供不同的电源管理动作。

电池保护

 BMS的一个主要基本的功能是提供必要的报警和控制，以保护电池不超出规定的工作范围。这在恶劣工况下是一个很重要的应用程序。除了单个的电池保护功能，自动化系统必须能够根据外部故障信号来隔离电池组，并进行故障查找。例如在过热情况下启动风扇。如温度过高，电池组将自动断开。

电池充电状态（剩余电量）

充电状态是BMS的第二个主要功能。不仅仅是提供一个剩余能量指示，而是根据单个电池的剩余电量进行平衡，避免单个电池因为过度放电而使用过度。

该指示也用于决定充电或放电周期的终止。过度充电和过度放电是造成电池故障的主要原因。而且BMS必须根据DOD规定来维护电池。

混合动力车辆的蓄电池需要同时保证大功率的充电能力用于制动，通四海也需要大功率的放电能力用于加速和推进。