1.6 電池管理系統(tǒng)的分類

BMS可依據(jù)功能、技術和拓撲結構等進行分類。

1.6.1 按功能分類

BMS功能范圍廣泛，從很少甚至基本不控制單體電池的簡單系統(tǒng)，到以各種可能的方法監(jiān)視并保護電池的復雜系統(tǒng)。作為新興產(chǎn)業(yè)，尚未有完整的專業(yè)術語用以描述不同功能類型的BMS。按照系統(tǒng)復雜程度增加的順序，BMS分為如下幾類：監(jiān)測器、監(jiān)控器、均衡器、保護器。

（1）監(jiān)測器 監(jiān)測器的作用僅是監(jiān)測參數(shù)，并不能主動控制充電或者放電過程。監(jiān)測器可以滿足熱衷于了解單個單體電池電壓，并想要在意外發(fā)生時進行手動調整的業(yè)余愛好者或者研究人員。此類裝置一般包括如下功能：

1）測量每個單體電池電壓。

2）測量電池組的電流及溫度。

3）編譯數(shù)據(jù)。

4）計算或者評估電池組的狀態(tài)，如SOC。

5）在顯示屏上顯示上述結果。

6）也可能包含警告功能（應用提示燈或者蜂鳴器）。

監(jiān)測器的系統(tǒng)結構如圖1-6所示。

監(jiān)測器將自身集成到了整個BMS中，如果沒有使用者，那么整個系統(tǒng)的控制環(huán)就會被打斷，電池組可能由于過度充電而毀壞，恒流恒壓充電器沒有起作用。監(jiān)測器無法防止單個單體電池過充電、過放電，也不能實現(xiàn)均衡電池組的功能。

（2）監(jiān)控器 監(jiān)控器與監(jiān)測器類似，它也可以測量每個單體電池的電壓，但監(jiān)控器確實實現(xiàn)了閉環(huán)控制。在電池工作過程中，如果出現(xiàn)故障，含有監(jiān)控器的系統(tǒng)并不依賴于附近的使用者，而是直接采取正確的措施，通過間接控制充電器和負載實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。監(jiān)控器可能無法對電池組的性能進行優(yōu)化（無法實現(xiàn)均衡），但監(jiān)控器可以自動保護系統(tǒng)使之工作在安全區(qū)域內(nèi)。監(jiān)控器通常被研究人員用來測試鋰離子電池組，其系統(tǒng)結構如圖1-7所示。

監(jiān)控器并不具有切斷電池組電流的功能，它所能做的就是向其他設備（如充電器、負載）發(fā)送指令，以實現(xiàn)減小或者切斷電池組電流的目的。如果電池系統(tǒng)內(nèi)并沒有接收和實現(xiàn)需求的設備，那么系統(tǒng)內(nèi)必須有一個大功率開關（一般是接觸器或大功率繼電器），同時均衡器必須能夠激活該開關來切斷電池組電流。監(jiān)控器可能是單機模式（僅有少數(shù)的導線控制關斷充電器和負載），又或者它具有顯示或通信設備向系統(tǒng)其他部分發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。監(jiān)控器可以為電池組提供全面的保護，但是它無法實現(xiàn)單體電池之間的平衡。

（3）均衡器 均衡器類似于監(jiān)控器，但它還能夠通過均衡單體電池來實現(xiàn)電池組性能的最大化，包含通信線，可以向系統(tǒng)的其他部分傳輸數(shù)據(jù)。均衡器是目前鋰離子電池組研究人員的首選，其系統(tǒng)結構如圖1-8所示。

均衡器可以和電池物理隔離，也可以直接安裝在單體電池上，或者是這兩種方式的組合。它可以采用不同優(yōu)缺點的均衡策略對電池進行控制，均衡器的連線方式使之可以控制充電電源和放電負載。

（4）保護器 保護器類似于均衡器，但是它比均衡器多了一個可關斷電流的開關。保護器通常是集成于電池中的一部分，與電池放在同一個封裝內(nèi)，僅有兩個功率端子從封裝內(nèi)部伸出。保護器通常被應用于消費類電子產(chǎn)品中，但是它基本不被用于專業(yè)的、大型的鋰離子電池組中，這是因為保護器內(nèi)部的開關無法應對大功率負載，其系統(tǒng)結構如圖1-9所示。

保護器內(nèi)部的開關通常采用固態(tài)開關（如晶體管等），充放電時能夠處理高達50V的電壓，能夠處理的電流為5～50A。實現(xiàn)這樣的功能需要兩套串聯(lián)的晶體管，分別對應電池組的充放電電流方向。晶體管功率等級一般僅能用于小型電池。對于小型電池的管理，保護器是完全能夠勝任的。

1.6.2 按技術分類

目前有兩種基礎技術用來搭建BMS，即模擬方式和數(shù)字方式。兩者的區(qū)別在于如何對單體電池電壓信號進行處理。當然，所有系統(tǒng)都需要來自前端的模擬信號，BMS所用的處理單體電池電壓的模擬電路（如模擬比較器、放大器、差分電路或者類似的元件）都為模擬系統(tǒng)。而將單體電池電壓處理為數(shù)字信號的BMS稱為數(shù)字系統(tǒng)。

（1）模擬型 模擬BMS的能力十分有限，僅僅能完成必需的BMS功能。首先，模擬BMS不能監(jiān)測單個單體電池電壓，它或許可以檢測到某個單體電池電壓過低，但無法獲知具體是哪一個單體電池或該單體電池電壓有多低。只要BMS可以在單體電池電壓低時關斷負載，那么不知道哪個單體電池電壓低、該電壓有多低都不會產(chǎn)生問題。但當需要在不接通電路時對電池進行分析并利用電壓表進行測量時，就會出現(xiàn)問題。

針對并聯(lián)均衡分流設備的供電問題，選用一個單體電池進行供電，并通過電源監(jiān)測集成電路（Integrated Circuit，IC）芯片實現(xiàn)監(jiān)控與控制調節(jié)。在單體電池電壓超過IC設定的電壓時，起動分流設備使其工作。IC內(nèi)部由兩部分組成，參考電壓和模擬比較器。當單體電池電壓超過參考電壓時，比較器輸出狀態(tài)反轉。由于模擬比較器的存在，并聯(lián)均衡分流設備可視為模擬型設備，系統(tǒng)結構如圖1-10所示。

（2）數(shù)字型 數(shù)字BMS可以準確監(jiān)測每個單體電池的電壓（甚至更多，比如單體電池溫度、狀態(tài)）。因此，數(shù)字BMS可以共享這些數(shù)據(jù)，這一點對于分析整個電池組的狀態(tài)來說是非常有意義的，系統(tǒng)結構如圖1-11所示。

該設備包括一個模擬的多路復用器，可以對串聯(lián)單體電池上相鄰導線搭接處的電壓進行選擇并采樣，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到模-數(shù)（A-D）轉換器。在此之后，BMS以數(shù)字方式實現(xiàn)所有功能，例如對相鄰導線搭接處的電壓進行減法運算，從而計算出兩個導線搭接處中間單體電池上的電壓。

1.6.3 按拓撲結構分類

BMS可以根據(jù)其安裝方式進行分類：第一類為直接連在每個單體電池上進行安裝；第二類為整體安裝；第三類混合運用第一類和第二類安裝方式。拓撲結構是BMS非常重要的特性，它會影響系統(tǒng)的成本、可靠性、安裝維護便捷性以及測量準確性。本節(jié)根據(jù)拓撲結構將BMS分為集中式、模塊式、主從式和分布式幾種類型，其性能比較見表1-2。

（1）集中式 集中式BMS（見圖1-12）位于一個封裝內(nèi)，從封裝內(nèi)部延伸出一束導線（N個單體電池時為N+1根導線），連接到單體電池上。使用一個封裝結構，具有如下幾個優(yōu)點：

1）結構緊湊。

2）價格最便宜，將一系列電子元器件安裝在一個封裝內(nèi)部比安裝在多個封裝內(nèi)部要便宜。

3）當BMS需要檢修時，僅需要替換一個封裝，非常簡便。

例如，Convert The future公司的Flex BMS48就是一個集中式、規(guī)?；腂MS。

（2）模塊式 模塊式BMS與集中式BMS相似，但是模塊式BMS系統(tǒng)被分為多個相同的子模塊，每個封裝的導線分別連接電池內(nèi)部不同的模塊。通常，其中一個BMS子模塊被設計為主模塊，管理整個電池模塊并與系統(tǒng)其他部分通信，而其他BMS子模塊則只起到遠程測量的作用，通信導線會將模塊的讀數(shù)傳遞到主模塊。

模塊式拓撲具有集中式拓撲的大部分優(yōu)點，此外，由BMS子模塊到單體電池的導線方便管理，每個BMS子模塊放在離電池最近的位置；易于擴展，可以增加更多的BMS子模塊。

其缺點為成本比集中式拓撲高，從屬模塊功能重復。

模塊式BMS需要增加額外的搭接導線，兩個子模塊的導線搭接處需要兩根導線，每個模塊一根，其拓撲結構如圖1-12所示。

由于每個模塊僅能處理一定數(shù)量的單體電池，所以在物理上通常增加模塊的方式，這比使用較少模塊、應用較多導線的方式更加可靠，但是這樣有時會導致一些BMS模塊的閑置，造成了資源的浪費。Reap System公司的14芯數(shù)字BMS是較為典型的規(guī)模化、模塊式BMS。

（3）主從式 主從式BMS與模塊式BMS相似，主從式BMS應用多個相同的模塊（即從屬模塊），每個模塊測量一些單體電池電壓。然而，主模塊則與其他模塊不同，它不測量單體電池電壓，僅進行計算和通信，其拓撲結構如圖1-13所示。

主從式BMS同時具有模塊式BMS大部分的優(yōu)點和缺點。此外，主從式拓撲結構中，從屬模塊的成本要比模塊式結構低，因為主從式拓撲中的從屬模塊經(jīng)優(yōu)化后，其功能僅有一項，即測量電壓。Black Sheep公司的BMS Mini V3是較為典型的規(guī)?；⒅鲝氖紹MS。

（4）分布式 分布式BMS與其他拓撲結構的BMS存在著明顯的不同，在其他拓撲結構的BMS中，各電子設備并不會被分別安置于單體電池上。在分布式BMS中，電子元器件被直接安裝在與待測單體電池一體的電路板上。在其他拓撲結構下，需要在單體電池和電子元器件之間連接大量的線纜，而對于分布式BMS來說，僅僅需要在單體電池電路板和BMS控制器之間使用較少的連接線，就可以達到相同的效果。BMS控制器用于控制整個系統(tǒng)的計算及通信（在一些簡單的應用中，并不需要BMS控制器）。EV Power公司的BMS-CMI60-V6就是一個較為典型的、規(guī)?；姆植际紹MS，其拓撲結構如圖1-14所示。

相比于其他拓撲結構的BMS，分布式BMS具有較為明顯的優(yōu)缺點，見表1-3。對于各種拓撲的BMS，并沒有一個明確的選擇指南，只能根據(jù)自身應用需求進行選擇。這些需求一般有安全性、開銷（組成部分、裝配和維護）以及可靠性等。