乘用车不可或缺的电池管理系统BMS

电池管理系统（BMS）是现代电池供电设备和电动汽车（EV）中不可或缺的组件，很多人可能认为BMS只存在于电池驱动的乘用车中，实际上即使是最传统的12V铅酸电池依然存在简单的BMS系统确保供电安全，这就意味着从2000年以后的乘用车都离不开电池管理系统的作用，随着以电池作为提供动力主体的电动汽车逐渐成为市场新增长趋势，BMS在乘用车中的作用越来越重要。

汽车电池管理系统市场分为锂离子、铅酸、镍基等。到 2024 年，锂离子细分市场将占据 59% 的市场份额。2024 年，全球汽车电池管理系统市场规模为 47 亿美元，预计 2025 年至 2034 年期间将以 18.4% 的复合年增长率增长，这个速度远超任何BMS行业的速度以及汽车电子细分市场的速度（除了无法详细统计的自动驾驶）。

认识BMS

车载的BMS与传统的BMS从基本功能上并没有太多差异，首先，BMS 通过监测电压、电流和温度等各种参数来确保电池的安全高效运行，从而防止过充、过放和过热，从而导致性能下降、寿命缩短，甚至火灾或爆炸等安全隐患。其次，BMS 优化了电池的使用，提高了整体能源效率并延长了电池寿命，这对于消费电子产品和电动汽车满足性能期望和可持续发展目标都至关重要。此外，随着对电动汽车和可再生能源存储系统的需求增长，在电池密度短期内几乎没有任何大幅度提升的前提下，BMS系统在推进电池供电系统效率和充电效率方面的价值日渐重要，车用BMS在维护和监控EV和HEV电池组的运行过程中，可确保最佳效率、安全性和使用寿命，它们负责监控重要的电池指标（例如温度、电压和电流），从而降低与过度充电、过热和短路相关的风险。此外，BMS 增强了充电和放电过程，以延长电池的使用寿命并优化其性能，从而延长行驶里程并提高车辆可靠性。高级 BMS 监控电池的关键状态，例如充电状态 （SOC） 和健康状态 （SOH）。 

现代 BMS 的主要作用（如图 1 所示）包括了几个方面：

• 为防止过度充电、过热、短路等危险情况，可能导致电池故障甚至火灾;

• 优化充电和放电循环以提高电池组的整体效率，从而延长电动汽车的行驶里程;

• 确保妥善管理电池健康，延长电池使用寿命，减少频繁更换的需要，并降低对环境的影响;

• 确保电池在其最佳参数范围内运行，保持一致的性能和可靠性;

• 通过促进电动汽车的广泛采用，间接为可持续交通的更广泛目标做出贡献。

图 1 一个非常典型的 BMS

即使是车身的BMS同样表现出相当大的多样性。只有根据几个标准对 BMS 进行分类，包括它们的拓扑结构、功能、通信协议以及它们设计管理的特定电池类型，才能对 BMS 进行全面理解。

集中式 BMS是此类系统中最简单的。所有监测和控制功能均由单个控制器处理。电池单元中的传感器和监控设备将数据直接发送到唯一的中央控制器。这种系统紧凑而实用;但是，随着电池模块数量的增加，输入端口的数量也会增加，从而导致过多的布线、布线和连接器。这可能会使故障排除和维护过程复杂化。当应用分布式 BMS 时，每个电池模块都有自己的控制单元，它与主控制器通信。这更具可扩展性并降低了布线复杂性，使其适用于电动汽车中使用的大型电池组。这种方法的主要缺点是成本高，维护要求高。集中式和分布式系统可以组合在模块化 BMS 中。在这种高级情况下，多个电池模块由与中央单元接口的本地化控制器进行分组和管理。这种方法在系统灵活性、复杂性和价格之间提供了最佳平衡。

图 2.几种BMS结构的基本类型。

BMS 还可以根据应用的通信协议进行分类。有线 BMS 使用物理电缆实现 Cell 与主控制器之间的通信。有线系统通常是可靠的，但会增加质量、复杂性和价格。更先进的系统包括无线 BMS，其中消除了物理线，从而提供了更大的灵活性，并减少了对导体的需求和系统的整体质量。但是，它们容易受到信号干扰和延迟。

BMS的发展紧跟电动车市场需求的步伐

电池驱动的乘用车是BMS施展价值的主要舞台，在电池驱动汽车结构中，BMS作为电能分配和运行的管家，决定着整个动力和能耗系统的上限。 

除了常规的小型化和集成化趋势之外，以下三个主要方向是电池驱动乘用车中BMS系统主要技术改进的重点。

1. 提高电动汽车的采用率：提高电动汽车的效率、安全性和电池寿命，以支持其更高的采用率。

2. 与可再生能源资源的整合：优化电动汽车的能源储存和利用，以改善其与可再生能源系统的集成。

3. 网络安全：加强网络安全措施，随着 BMS 变得更加互联和容易受到各种数字威胁，这些措施变得越来越重要。 

安全仍然是 BMS 开发的重中之重。现代安全特性包括实时故障检测、隔离机制和先进的保护电路，以防止过充电、过放电和短路。在硬件冗余方面，通过在BMS系统中设置多个冗余的硬件单元，如备用的控制芯片、传感器等，当某个硬件出现故障时，备用单元可以立即接管工作，确保系统的正常运行。软件的冗余同样重要，通过采用多重软件防护机制，如备份不同版本的控制软件、设置软件容错机制等，防止软件出现漏洞或故障导致系统失控。BMS系统的安全并不简单的是系统内的工作安全，随着车联网系统的不断普及，BMS的网络安全同样不可忽视。通过加密通信、身份验证、入侵检测等技术，防范黑客攻击和数据泄露，保护电池系统和车辆的安全。 

BMS现在集成了先进的监控和诊断工具，以持续评估电池的 SOC 和 SOH。通过改进这些系统，可以更准确地预测潜在的故障，优化电池的使用，从而延长电池寿命。除传统的电压、电流和温度传感器外，压力传感器、声波传感器、红外传感器等高精度传感器将更多地应用于BMS，提高电池状态监测的精度和准确性。通过多传感器融合技术，BMS能够更全面地感知电池的状态，提前发现潜在风险，实现电池状态的精准预测和故障预警。有效的热管理对于保持电池性能和安全性也至关重要。BMS 中冷却系统和热调节的创新有助于防止过热并确保电池在最佳温度范围内运行。另一方面，自适应充电算法不断开发，以根据电池的状况和使用模式优化充电过程。这显著提高了充电效率，同时减少了电池的磨损，进一步延长了其使用寿命。

车用BMS的新趋势 

相比于其他BMS系统，车用BMS因其应用环境与应用价值，逐渐衍生出更多新的技术发展趋势，已经完全超越了传统BMS的应用范畴。

比如，BMS 越来越多地与其他 EV 系统集成，例如动力总成和能源管理系统。这种集成增强了能源使用的协调和优化，进一步提高了车辆的效率和性能。特别是在增程式系统中涵盖了电池放电与车内电池自充电两套动力系统，如果BMS系统能够更好地介入动力总成应用中，以及参与到能量回收系统中，就可以大幅提升能源利用效率，极大地增加车辆的续航。

无线电池管理系统（BMS）使用无线通信技术监控和控制电池的性能、安全性和使用寿命。无线BMS省去了电池单元和BMS之间的连接线，用 Wi-Fi、射频 （RF） 和蓝牙技术在电池单元和BMS之间传输数据。传统的有线BMS系统通常安装复杂且成本高昂，并且包括电池单元和管理单元之间的大量布线和布线。无线BMS可以简化 BMS安装和维护、降低接线错误的风险以及支持从远程位置实时监控和管理电池。无线BMS系统提供了增加的电池放置和设计灵活性，以及成本和安装优势，更重要的是减少了线缆的重量和可能带来的安全隐患，虽然新能源车的自燃多数不是因线缆引起（传统燃油车自燃的主要原因之一），但降低线缆对汽车设计者来说绝对是好消息。

与无线BMS相关的另一个趋势是BMS将更广泛地采用云连接技术，实现电池数据的远程监测和诊断。用户可以通过手机或电脑随时随地查看电池状态，制造商也能进行远程故障诊断和软件升级。基于云连接技术，制造商可以提供更加智能、高效的运维服务，提高售后服务质量和效率。 

当然，BMS同样离不开与AI的结合，智能驾驶并不只是对驾驶体验的智能化，同样展现在整车系统的智能辅助方面。智能化与AI深度融合的BMS系统，将更广泛地利用深度学习和机器学习算法，通过对海量电池运行数据的分析，精准预测电池的剩余使用寿命（SOH）、充电状态（SOC）和功率状态（SOP）等，实现电池的智能管理和优化。利用 AI 模型学习电池在不同工况下的性能表现，动态调整电池管理策略，如根据路况、驾驶习惯等优化充放电策略，提升电池的能量效率和整体性能。此外，基于大数据分析，能够自动识别电池的潜在故障和异常，提前进行预警和诊断，降低维护成本，提高电池的可靠性和使用寿命。

为了适应这样的智能化趋势，BMS的架构也在不断创新，分布式架构的BMS将更加普及。在每个电池模块或电芯上部署微型计算单元，利用边缘计算实现数据的本地快速处理和分析，提高系统的响应速度和可靠性。另一方面，BMS将朝着高度集成化和模块化方向发展，将更多的功能集成到一个芯片或模块中，提高系统的整体性能和可靠性。模块化设计则使BMS能够灵活适应不同类型和规模的电池系统，方便进行模块替换和扩展。

还有更多的期待

除了上述技术趋势之外，还有两个值得关注但又充满争议的方向。

其一是在中国市场似乎发展并不很好的车与电网互通。在日本这方面应用比较广泛，BMS不断开发以支持车辆到电网 （V2G） 技术，使电动汽车能够将储存的能量返回电网。这不仅有助于在需求高峰期稳定电网，而且还为电动汽车车主提供了通过出售多余能源来赚取收入的潜力。同样，正在对与电动汽车相关的家用电池系统进行研究，该系统可以与太阳能电池板和其他可再生能源集成，为“自制”电能充电。通过适当管理的电流，电动汽车车主的家庭可以最大限度地利用可再生能源。

第二个方向是标准化问题。汽车标准化一直是个很尴尬的话题，特别是硬件的标准化，各个厂商各怀心思，很不愿意去做标准化。不过随着电动车的ASIL功能安全体系认证，标准化和互操作性的进程被广泛期待，比如随着电池技术的不断发展和市场需求的不断变化，BMS的标准化进程将加快，以实现不同厂商设备的互操作性，降低系统集成难度和成本。标准化有助于打破行业壁垒，促进电池制造商、整车厂商、零部件供应商等之间的合作与协同创新，推动整个新能源汽车产业的发展。其他再比如推动BMS采用统一的接口和通信协议，提高设备的兼容性和互操作性，促进电池技术的推广应用，特别是随着宁德时代加入换电阵营，业界呼吁不同厂商的电池和 BMS 能够相互兼容和对接，方便系统集成和维护。实现标准化和互操作性后，企业可以更自由地选择供应商和合作伙伴，提高市场竞争程度，从而降低 BMS 的研发、生产和采购成本。