电池管理系统的工作原理和类型

电池市场正在不断升温。尽管电动汽车（EV）仅占据市场的一部分，但随着人们对电力储、及电动卡车以及飞机的兴趣的不断增长，电动汽车成为这一趋势中的重要一环。电池管理系统（BMS）的重要性不言而喻。

电池管理系统结构十分复杂，负责监控热输入、电气性能、流体动力学及控制系统等多重标准和规程，旨在确保电池性能的最优化、操作的安全性、延长使用寿命等。本文将深入探讨电池管理系统的工作原理要点、其重要性、各类系统分类、设计考量因素的演变，以及新思科技如何协助电池开发者推动创新并实现系统的虚拟化。

电池管理系统是什么？

电池管理系统是一套集成硬件与软件的技术体系，专注于监管由多个电池单体组成的电池组，这些单体被整合为模块，并按照行列矩阵的方式电性连接。电池管理的复杂性在于，一个电池组可能包含数百至数千个电池单体。这些单体必须在预设的时间段内，在预期的负载状况和环境因素作用下，稳定地输出特定范围的电压与电流。

▲图1相邻电池单元不匹配会在充电堆叠时引起问题

为确保电池能够在各种不同条件下可靠运行，电池管理系统负责监控电池状态以识别条件变化的迹象，为电池在严苛环境下的运作提供保护措施，估算电池的实时运行状态，调整电池性能以适应不断变化的条件，向关联设备反馈电池的运行情况，并执行与其他系统的通信任务。此外，电池管理系统还具备记录事件数据的功能，从而为后续产品迭代中电池行为、性能和安全性的提升提供数据支持。

电动汽车中的电池系统在车辆行驶之前，必须适应多种环境条件，确保能够可靠启动并持续运行。比如车辆可能会进入山区，在夜间遭受低于冰点的低温考验；或者在非常炎热的夏季，连续数小时在高温下行驶。无论哪种情况，为了确保电池的最佳性能和长期耐用性，都必须将其维持在理想的温度区间内。

电池管理系统的重要性

电池管理系统的核心优势在于保障功能安全与提升性能。首先探讨安全性问题，在大型电池组的运行过程中，存在可能致命的高电流与电压水平，必须对其进行严格控制，以确保在恶劣工况下电池组的结构与功能完整性。以电动汽车为例，如若发生碰撞事故，电池管理系统在保障电池（及驾驶员）安全方面发挥着至关重要的作用，它能够迅速切断电池与车辆的连接。

就性能而言，每个电池单体之间需要维持相对一致的良好状态；必须避免电池单体的过充或过放，因为这会损害整个电池组的寿命。鉴于制造过程中的差异性，即便是同一生产线上的电池组内各电池单体也不可能完全等同。尽管初始差异微乎其微，但若未妥善管理，电池在使用过程中可能会迅速丧失容量。随着某些电池单体性能下降，过充时可能在电池组内引发“热点”现象。电池管理系统扮演着类似监管机构的角色，以防止此类问题的发生。

▲图2电池管理系统监测每个电池单元，并利用晶体管开关以及与每个电池单元并联的适当尺寸的放电电阻

总的来说，电池组保护管理确保电池单体在经历高强度使用和快速充放电周期时得到充分的保护，从而使得整个系统更加稳定，并且预期能够提供更长久的服务期限。

电池管理系统的类型

电池管理系统与电池本身相似，其复杂程度取决于应用场合以及为保障和优化电池性能所需采取的不同策略。

尽管电池管理系统的分类方式多样，但本文我们将依据其在电池组内对电池单体或模块的安装及运作方式进行分类讨论。

集中式电池管理系统架构：该架构的特点在于电池组装配中设有一个中央电池管理系统，所有电池包均与之相连。集中式电池管理系统的优势在于其紧凑设计和较低的成本。然而，该电池管理系统需要众多端口以实现与各电池包的连接，从而导致维护和故障排查工作变得复杂。

模块化电池管理系统拓扑：此类电池管理系统被分割成若干复制模块，这些模块与相邻电池堆区段相连。尽管模块化电池管理系统拓扑的成本相较于集中式方案更高，但其故障诊断和维护更为便捷，且扩展至更大型电池组的过程亦更为简化。

主/从电池管理系统架构：在此架构中，从属模块的功能仅限于向主模块传递测量数据，而主模块则承担计算、控制处理以及外部通信任务。由于从属模块的功能较为简单，因此该架构通常具有较低的成本。

分布式电池管理系统架构：该架构与前述三种架构相比差异最为显著，其特点在于将所有电子硬件集成于一个直接安置在被监控电池单元或模块上的控制板上，以此省去了繁杂的线缆连接，增强了每个电池管理系统的自包含性。然而，这种设计也相应增加了故障诊断和维护的难度，并且由于在整个电池组结构中电池管理系统数量增多，导致成本上升

电池管理的发展历程

过去几十年中，电池管理技术随着电池设计的演进而不断进步。以往，电池组采用的是一种包含全局监控单元、局部通信管理单元以及用于与其他电池组进行通信的接线盒的传统架构，这种架构导致了大量线缆的使用。

当下趋势正朝着更为集中化且无线化的电池管理系统理念转变，该理念显著减少了传统架构中繁杂的线缆使用。这不仅便于维护操作，而且有效减轻了电池组的重量，从而直接提升了能源利用效率。对于电动汽车而言，这意味着能够实现更长的续航里程，即在需充电前的可行驶距离增加，同时还缩短了系统的充电时长。

我们持续关注的另一趋势是运用仿真技术进行电池管理系统设计，这主要归因于当前电池的高度复杂性以及硬件开发、原型构建和测试所伴随的一系列挑战。仿真与虚拟原型技术赋予电池组开发者在设计流程初期便能验证技术规格的能力，此时电池组架构及电气负载（例如时钟、牵引电机、连续充电模块等）尚未明确且可能发生变动。在这一环节中，新思科技凭借其开发与特性化工具介入，提供虚拟控制器平台，从而实现对虚拟硬件原型的高效软件开发及其他拓展功能。

新思科技的SaberRD便是上述工具中的一种。它为开发者们提供了包括机械、电气、数字、控制、热和液压在内的模型库，便于用户根据基础数据手册规格和测量曲线，迅速为众多电子设备以及各类化学成分电池（含锂离子电池）构建模型。借助蒙特卡洛统计分析、应力分析、最差情况分析和故障分析，可以在整个边界区域运行范围内进行验证，从而确保电池管理系统的整体可靠性。这类工具极大程度地缩短了硬件原型制作周期，不仅降低了设计成本，还避免了可能产生的昂贵保修返修支出。随着软件在车辆运行中的关键性日益凸显，电池管理系统亦可从汽车电子数字孪生技术中获益，实现对从控制器硬件与软件到完整的多域电池及功率电子系统的全面仿真。

结语

综上所述，电池行业正快速发展，以应对电动汽车需求激增、可持续能源电力储存的创新、电动飞机与卡车等新兴应用的需求。与此同时，电池管理系统也在不断进化，配合现代电池技术的发展，确保终端用户的安全性，增强电池的可靠性，持续推进续航能力的提升，并降低制造成本。这样一来，电池将在未来的世界中更加普及且高效地发挥作用。