1.1 BMS的角色定位

BMS顧名思義是一個管理電池的系統，其組成包括各種控制單元、監測單元、信息通信單元、執行單元等。BMS的首要任務就是以保證安全為前提，使電池在不同的環境狀況和運行工況下都能夠發揮最大的作用，避免能量浪費。

以電動汽車為例，一般來說，可以將BMS分為三個部分：控制器部分、對接汽車部分、監測芯片部分，如圖1-1所示。其中，控制器部分通過收集監測芯片獲得的電池組信息，進行分析和處理，反饋給整車，并執行整車向電池組發送的控制指令，承擔著BMS的主體任務，是連接電池組及整車信息溝通的橋梁。對接汽車部分則負責提供BMS電源、與整車控制器及電機控制器進行通信、充電等工作。監測芯片部分主要包含電壓、溫度等傳感器，負責監測電池及其他部件的工作狀態，并將信息反饋給控制器，隨著電池系統技術的發展，BMS對監測芯片的要求將越來越高。

BMS的硬件電路依據其功能，通常被分為兩個模塊，即電池監測回路（battery monitoring circuit, BMC）和電池控制單元（battery control unit, BCU）。有人也喜歡把BMC稱為從板或者子板，將BCU稱為主板，這種稱呼并不完全合理，因為對于一體式的BMS來說，BMC和BCU被設計在同一塊電路板上，就分不清“主板”還是“從板”了。關于BMS的拓撲研究將在第3章進行討論。根據BCU與BMC之間的拓撲關系不同，從產業化的角度可將BMS進行以下分類。

1.一體式BMS

將BCU與BMC設計在同一塊電路板上，對車上的所有動力電池進行統一管理，這就是一體式BMS。在某種特殊的情況下，BCU和BMC的功能甚至可以合并到同一塊集成電路（IC）中完成。因此對于電池數量較少的電動汽車來說，一體式BMS是最好的選擇。

一體式BMS從外觀上看就是一個盒子，盒子上會延伸出一組導線，連接到各個電池單體或者模組上。由于目前市場上的主流IC芯片所管理的電池串聯數量多數為6、12、16的倍數，一體式BMS都是面向固定數量的電池系統的，如管理24串、36串、48串等一體機。如果某車型的電池系統被設計的串聯個數與上述倍數不一致，則只能按照就近原則選擇更高倍數的一體機產品。

相比其他類型的BMS，一體式BMS的優勢是成本較低，在電池系統箱的空間占用率小，維護起來也比較簡單。但是由于一體式BMS所提供的接口數量不能滿足過多電池數量的要求，所以這類BMS不能應用在電池數量較多的場合；另外，一體式BMS往往因為采集線過多、過長而造成潛在的安全隱患。

2.主從式（星形）BMS

相對于一體式結構，其他的拓撲關系都屬于BMC與BCU分離的方式，目前大多數都采用通信總線的方式來解決BMC與BCU之間的通信問題，星形連接就是其中一種，這種連接方式構成的BMS也稱為主從式BMS。如圖1-2所示，主從式BMS從外觀上來看，BCU位于中央位置，而每一個BMC模塊均以線束與之相連。通常BCU中還帶有一個總線集中模塊，通過建立特定的通信協議，使得多個BMC能共享通信信道。

其中，BCU主要實現以下功能：

1）對整個電池系統的總電壓和總電流進行監測。

2）對SoC、SoH等狀態進行估算。

3）制定均衡策略，進行均衡決策等。

4）控制預充電電路、總繼電器等。

5）與整車控制器、電機控制器進行通信。

6）分析電池組狀態，與充電機進行通信，控制電池組的充電過程。

相應地，BMC負責監測電池單元的電壓和溫度，并對電池實施具體的均衡控制等。

與一體式BMS類似，主從式BMS的BMC都是面向于12或16的倍數，以目前市場占有份額較大的MAX17843、LTC6811等IC為例，單個IC都是面向12串電池設計的，每個BMC可以監控24串、36串、48串或者60串的電池。工程師們可以根據動力電池系統中電池模塊的配置來進行搭配選擇，例如一個96串的電池系統，可以使用一個BCU搭配2個48串的BMC組成BMS，當然在實際應用中，還要結合電池系統的物理構成對BMS進行合理設計及優化。

主從式BMS的優點：首先是便于進行介質訪問；其次，某個BMC的退出或者故障不會對其他BMC的通信造成影響。但是，通信線路較長、難維護、可擴展性差（如受總線集中模塊端口的限制，不能隨意地增加多個BMC單元），這些缺點也成為主從式BMS在實際應用中面臨的問題。

3.總線式BMS

與前面的主從式（星形）連接相比，總線式BMS用于通信信道的線材開銷相對較少，連接方式更為靈活，可擴展性強。很多分布式BMS都采用總線式拓撲結構，這種拓撲結構在電動大巴車上尤為常見。

在各種總線式BMS通信方案中，CAN（控制器局域網）總線是汽車上較為常用的一種總線，其BMS的構造如圖1-3所示。圖中，每一塊子板（BMC），由電壓/溫度采集回路、單片機（MCU）、通信隔離回路等模塊構成，BMC與BMC之間使用CAN總線連接，從而實現與BCU的信息交換。

雖然總線式BMS在連接方式靈活性和可擴展性方面具有一定的優勢，但是通信線路的相互依賴性也為這類BMS在實際應用及維護過程中帶來一定的困擾。由圖1-3可知，第N塊BMC與BCU的通信都受制于前面N-1塊BMC，若其中某一塊BMC電路板或者連接線束出現故障，則后續的BMC與BCU之間的通信會立即受到影響，這給實際故障的排查帶來了一定的難度。

另一方面，總線式BMS中的BMC元器件較多，體積較大。針對這一問題，一些IC生產商提供了基于BMC專用IC的解決方案，其中具有代表性的就是ADI公司的LTC6810、LTC6811等IC所構造的方案。基于這些IC所構造的子板（BMC），可以省去原本用于支持CAN通信的器件，甚至將子板中的主控單元省略，從而減少了子板的體積。當然，這些專用的IC芯片價格相對較高，工程師們需要綜合各種因素來評估子板成本的經濟性。

4.無線式BMS

上述幾種BMS是針對電池系統的不同組成及規模進行設置的，在制造成本、通信效率、管理細節等方面具有獨特的優點，但也有一個共同點：需要采用導線實現BMS的電源供給及信息傳輸。

導線的使用存在以下不足：①導線的存在令通信節點的故障直接影響系統有效運行，甚至導致系統癱瘓；②導線的使用增加了電池系統的重量和成本；③導線的老化、損壞直接影響BMS各結構的有效連接，降低信息傳輸的可靠性。

針對上述這幾個問題，無線通信的解決方案被提出并逐漸應用在BMS上。目前無線式BMS產品大多具備以下特點：

1）從電池單體或者系統直接獲得電源，可實現不間斷地對電池系統進行監測、管理及控制。

2）對于有多個從控單元的BMS，無線通信方式適用于多數網絡節點的信息對接，其可靠性相對有線連接更優；但對于有較少從控單元的BMS，無線通信方式不具備優勢。

3）BMS是連接高壓及低壓的主要設備，無線通信可以有效地實現高壓單元和低壓單元之間的隔離，從而減少高壓系統對低壓系統的干擾。

4）相比有線式BMS，無線式BMS可以避免電池系統在空間和線束布置上的約束，系統設計靈活性更高；同時無線模式也降低了線束帶來的成本。

無線式BMS的拓撲關系如圖1-4所示，一般由多個從控單元和一個主控單元組成，各從控單元及主控單元之間形成了一個多元化的網絡環境：主控單元可從各從控單元獲取電池信息，也可以將相應的指令輸送給從控單元，從控單元之間還可以實現信息的交互，更有利于電池系統內部之間的信息溝通及控制。

5.以上幾種BMS拓撲結構的比較

對上述四種BMS拓撲來說，很難絕對地評價某種結構“好”或者“不好”，這需要根據不同的應用條件來做出判斷。比如，一體式架構也可以應用在某些高速乘用車的電池系統中，但高速乘用車一般電壓平臺在300V以上，這樣高的電壓監測IC在市場上是難以找到的，所以目前更多采用的是主從式、總線式或者無線式BMS來將高電壓的采集任務分解為低電壓采集方式。

表1-1反映了通常情況下上述四種BMS拓撲結構的適用車型。

當然，表1-1中所總結的只是一般的情況，實際應用中的情況可能要更復雜一些。例如，如果BMS希望采用非耗散型均衡（active balancing），那么采用“一體式”或“主從式”拓撲結構有利于剩余電量在不同電池之間進行轉移，從而減少了電池組在均衡過程中的能量損耗，而采用“總線式”或“無線式”拓撲結構，則很難實現這樣的電量轉移。