2013年1月7日，一架波音787飞机停泊进行维护，在此期间，机修工注意到飞机辅助动力装置（锂电池组）发出的火焰和烟雾，该动力装置用于为电子飞行系统提供动力。努力扑灭了大火，但在此问题得以解决的10天后，1月16日，全日空航空公司运营的787航班又发生了一次电池故障，导致日本机场紧急降落。这两次频繁的灾难性电池故障使波音787梦幻客机无限期停飞，这损害了制造商的声誉，造成巨大的财务损失。
经过美国和日本的一系列联合调查，B-787锂电池组经过了CT扫描，发现八个锂离子电池中的一个遭到损坏，引起短路，引发热失控并着火。如果将锂离子电池组的电池管理系统设计为检测/防止短路，则可以轻松避免此事件。在进行了一些设计更改和安全规定后，B-787再次开始飞行，但事件仍然存在，以证明如果处理不当，锂电池可能会变得多么危险。
快进15年，今天，我们有使用相同锂离子电池的电动汽车，它们以数百甚至数千的数量包装在一起。这些额定电压约为300V的大型电池组可安装在汽车中，并在运行期间提供高达300A（粗略的数字）的电流。此处的任何不幸都会导致巨大的灾难，这就是为什么电动汽车始终强调电池管理系统的原因。因此，在本文中，我们将了解有关此电池管理系统（BMS）的更多信息，并深入了解其设计和功能以更好地了解它。由于电池和BMS密切相关，因此强烈建议阅读我们之前有关电动汽车和EV电池的文章。
为什么我们需要电池管理系统（BMS）？
锂离子电池由于其高电荷密度和低重量而被证明是电动汽车制造商关注的电池。即使这些电池因其尺寸而包装很多，但它们在本质上是高度不稳定的。非常重要的是，在任何需要监视其电压和电流的情况下，这些电池都不得过度充电或放电不足。这个过程变得有点困难，因为在电动汽车中有很多电池组在一起构成一个电池组，每个电池的安全性和高效运行都应受到单独监控，这需要一个称为电池管理系统的特殊专用系统。同样，为了从电池组中获得最大的效率，我们应该以相同的电压同时对所有电池进行完全充电和放电，这再次需要BMS。除此之外，BMS还负责许多其他功能，下面将对此进行讨论。
电池管理系统（BMS）设计注意事项
设计BMS时需要考虑很多因素。完整的考虑因素取决于将使用BMS的确切最终应用程序。除电动汽车的BMS之外，还在涉及锂电池组的任何地方都使用BMS，例如太阳能电池板阵列，风车，电源墙等。无论应用是什么，BMS设计都应考虑以下所有或许多因素。
放电控制： BMS的主要功能是将锂电池保持在安全的操作区域内。例如，典型的18650锂电池的额定欠电压约为3V。 BMS的责任是确保电池组中的所有电池均不会在3V以下放电。
充电控制：除放电外，BMS还应监控充电过程。如果充电不当，大多数电池容易损坏或寿命缩短。对于锂电池充电器，使用2级充电器。所述第一级被称为恒流（CC） ，在此期间充电器输出恒定电流对电池进行充电。当电池快满时，第二阶段称为恒定电压（CV）使用阶段，在此阶段以非常低的电流向电池提供恒定电压。 BMS应确保充电过程中的电压和电流均不超过可渗透极限，以免对电池过度充电或快速充电。可在电池的数据表中找到最大允许的充电电压和充电电流。
充电状态（SOC）确定：您可以将SOC视为EV的燃油指示器。它实际上以百分比告诉我们电池组的电池容量。就像我们手机中的那个一样。但这并不像听起来那么容易。应始终监测电池组的电压和充电/放电电流，以预测电池的容量。一旦测量了电压和电流，就有许多算法可用于计算电池组的SOC。最常用的方法是库仑计数法;我们将在文章的后面对此进行更多讨论。测量值和计算SOC也是BMS的职责。
健康状态（SOC）的确定：电池的容量不仅取决于其电压和电流曲线，还取决于其寿命和工作温度。 SOH测量会根据使用历史告诉我们有关电池的寿命和预期寿命。这样，我们就可以知道随着电池寿命的延长，电动汽车的行驶里程（充满电后的行驶距离）会减少多少，并且我们还可以知道何时应该更换电池组。 SOH还应该由BMS计算并保持在跟踪状态。
电池平衡： BMS的另一个重要功能是保持电池平衡。例如，在串联连接的4个电池组中，所有四个电池的电压应始终相等。如果一个电池的电压低于另一个电池的电压或电压高于另一个电池的电压，则会影响整个电池组，例如，一个电池电压为3.5V，而其他三个电池电压为4V。在充电期间，这三个电池将达到4.2V，而另一个电池刚刚达到3.7V，类似地，该电池将是第一个在其他三个电池之前放电至3V的电池。这样，由于该单电池，电池组中的所有其他电池都无法发挥最大的潜力，从而降低了效率。
为了解决这个问题，BMS必须实现一种称为“电池平衡”的功能。电池单元平衡技术的类型很多，但常用的是主动和被动类型的电池单元平衡。在无源平衡中，想法是具有过高电压的电池将被迫通过类似电阻的负载放电，以达到其他电池的电压值。在主动平衡时，较强的电池将用于为较弱的电池充电，以均衡其电势。我们稍后将在另一篇文章中了解有关电池单元平衡的更多信息。
热控制：锂电池组的寿命和效率在很大程度上取决于工作温度。所述电池倾向于放电与正常室温下相比在炎热气候更快。除此之外，大电流的消耗将进一步提高温度。这就要求在电池组中安装一个散热系统（主要是机油）。该热系统仅应能够降低温度，但如果需要，还应能够在寒冷气候中升高温度。 BMS负责测量单个电池的温度并相应地控制热系统，以维持电池组的整体温度。
由电池本身供电： EV中唯一可用的电源是电池本身。因此，BMS应该设计为由应该保护和维护的电池供电。这听起来很简单，但是确实增加了BMS设计的难度。
理想功率降低：即使汽车在行驶，充电或处于理想模式，BMS也应处于活动状态并正在运行。这使BMS电路连续供电，因此BMS消耗的功率非常少，以免消耗过多的电池。当电动汽车几周或几个月不充电时，BMS和其他电路会自行耗尽电池的电量，并最终需要进行摇动或充电后才能使用。即使是像特斯拉这样的受欢迎的汽车，这个问题仍然很普遍。
电流隔离： BMS充当电池组和EV的ECU之间的桥梁。 BMS收集的所有信息都必须发送到ECU，以显示在组合仪表或仪表板上。因此，BMS和ECU应该通过诸如CAN通信或LIN总线之类的标准协议来持续进行大多数通信。 BMS设计应能够在电池组和ECU之间提供电流隔离。
数据记录：对于BMS来说，拥有大容量的存储库非常重要，因为它必须存储大量数据。仅当知道电池的充电历史记录后，才能计算健康状态SOH之类的值。因此，BMS必须跟踪从安装之日起电池组的充电周期和充电时间，并在需要时中断这些数据。这也有助于为工程师提供售后服务或分析电动汽车的问题。
准确性：对电池进行充电或放电时，电池两端的电压会逐渐增加或降低。不幸的是，锂电池的放电曲线（电压对时间）具有平坦的区域，因此电压的变化非常小。必须准确测量此变化，以计算SOC值或将其用于电池平衡。设计良好的BMS可以具有高达±0.2mV的精度，但最低应具有1mV-2mV的精度。通常在此过程中使用16位ADC。
处理速度：电动汽车的BMS必须进行大量的数字运算以计算SOC，SOH等的值。有许多算法可以做到这一点，甚至有一些算法是使用机器学习来完成任务的。这使BMS成为处理饥饿的设备。除此之外，它还必须测量数百个电池上的电池电压，并几乎立即注意到细微的变化。
BMS的构建基块
市场上有许多不同类型的BMS，您可以自己设计一个，甚至购买现成的集成IC。从硬件结构的角度来看，基于其拓扑的BMS只有三种，它们是集中式BMS，分布式BMS和模块化BMS。但是，这些BMS的功能都是相似的。通用电池管理系统如下所示。
BMS数据采集
让我们从其核心来分析以上功能块。BMS的主要功能是监视电池，该电池需要测量三个重要参数，例如电池组中每个电池的电压，电流和温度。我们知道，电池组是通过串联或并联配置许多电池来形成的，就像特斯拉有8,256个电池，其中96个电池串联连接，而86个则并联形成电池组。如果一组电池串联连接，则我们必须测量每个电池上的电压，但是整个组的电流将相同，因为串联电路中的电流将相同。类似地，当一组电池并联连接时，我们仅需测量整个电压，因为并联连接时每个电池两端的电压将相同。下图显示了一组串联连接的电池，您会注意到单个电池正在测量的电压和温度，而电池组电流则是整体测量的。
“如何在BMS中测量电池电压？”
由于典型的EV具有大量连接在一起的电池，因此测量电池组的单个电池电压有些挑战。但是只有知道单个电池的电压，我们才能执行电池平衡并提供电池保护。为了读取电池的电压值，使用了一个ADC。但是由于电池是串联连接的，因此涉及的复杂度很高。意味着每次都要改变测量电压的端子。有很多方法可以做到这一点，包括继电器，多路复用器等。除此之外，还有一些电池管理IC，例如MAX14920，可用于测量串联连接的多个电池（12-16）的单个电池电压。
“如何为BMS测量电池温度？”
除了电池温度，有时BMS还必须测量总线温度和电动机温度，因为一切都在大电流下工作。用于测量温度的最常见元素称为NTC，它代表负温度系数（NTC）。它类似于电阻器，但会根据其周围的温度来改变（减小）其电阻。通过测量该设备两端的电压并使用简单的欧姆定律，我们可以计算电阻，从而计算温度。
用于电池电压和温度测量的复用模拟前端（AFE）
测量电池电压会变得很复杂，因为它需要很高的精度，并且可能还会注入来自复用器的开关噪声，此外，每个电池都通过开关连接到电阻器以实现电池平衡。为了克服这些问题，使用了AFE –模拟前端IC。AFE具有高精度的内置Mux，缓冲器和ADC模块。它可以轻松地在共模下测量电压和温度，并将信息传输到主微控制器。
“如何为BMS测量电池组电流？”
EV电池组可以提供高达250A甚至更高的大电流值，此外，我们还必须测量电池组中每个模块的电流以确保负载均匀分布。在设计电流感测元件时，我们还必须在测量和感测设备之间提供隔离。感应电流最常用的方法是分流方法和基于霍尔传感器的方法。两种方法各有利弊。较早的分流方法被认为不太准确，但是随着具有隔离放大器和调制器的高精度分流设计的最新应用，它们比基于霍尔传感器的方法更为可取。
电池状态估计
BMS的主要计算能力专用于估计电池状态。这包括SOC和SOH的测量。SOC可以使用电池电压，电流，充电曲线和放电曲线来计算。SOH可以通过使用充电次数和电池性能来计算。
“如何测量电池的SOC？”
有许多算法可以测量电池的SOC，每种算法都有自己的输入值。SOC最常用的方法称为库仑计数又称为簿记方法。我们会讨论