· 新能源汽车BMS的构成与功能
· BMS电池管理系统详解
· 国产BMS拆解报告：技术方案揭秘
BMS-1---系统构成
引言：BMS，即电池管理系统，是锂离子电池的关键组成部分。它通过精密的电子控制系统来应对电池的各种挑战，旨在提高续航里程、降低成本并确保安全。车载BMS则主要负责监测、管理和均衡新能源汽车电池组的工作状态，确保电池安全、高效地运行。
1 BMS概述
通常，24V以上的储能产品会配备BMS。车载BMS对于新能源汽车而言至关重要，它不仅监测和管理整个电池组的状态，还通过智能算法延长电池寿命，预测剩余寿命，并保持电池在最佳运行状态。随着新能源汽车动力电池系统向高容量、高总压、大体积发展，BMS技术也在不断进步，以满足插电式混动和纯电动车型的需求。
2 BMS的构成
BMS为实现其核心功能，包括电池SOC/SOH监测、电芯状态监测与均衡，以及电池功率路径管理，配备了三个关键子模块：电芯监控单元（CSU）、电池管理控制单元（BCU）和电池开关单元（BDU）。这些模块协同工作，确保电池组的稳定、高效运行。无论是分布式还是集中式BMS，其基本构成都是相似的。
图1-1展示了典型的BMS架构，而图1-2则描绘了一种具有环形菊花链拓扑结构的高压电池包BMS示例。值得注意的是，在图1-2中，BJB部分采用了创新的智能接线盒设计，这一设计与图1-1中的架构有所不同。
表1-1总结了BMS子系统在业内的常见首字母缩写词。在分布式BMS系统中，CSC模块负责关键任务，如电池组单体的电压和温度检测、均衡管理以及诊断。每个CSC都配备了一个模拟前端芯片（AFE），以处理和传输电池数据。而BMC（或BMU）作为BMS的大脑，则负责计算电池的健康状态（SOH）和荷电状态（SOC），并基于CSC和BJB测量的精确数据做出决策，以确保电池的安全性和性能优化。此外，BMS还负责协调电池均衡功能。
传统的BJB角色已从单一的机电箱转变为一个包含分流器、接触器和高温熔断器的关键组件，它在高压电池和动力传动系统之间扮演着桥梁的角色。
接下来，我们将深入探讨BMS的结构。根据管理架构的不同，BMS产品主要分为集中式、分布式和半集中式三种类型。尽管分布式管理架构因其高可复制性而在多种车型电池包中广泛应用，但主动均衡管理技术正逐渐成为主流，其高效率和低能量耗散的特点使其在克服热风险和电路复杂性方面具有显著优势。此外，BMS的未来发展趋势还包括集成化、通用化和智能化。
在集中式BMS设计中，整个系统被集成在一个PCBA内，并通过导线连接到各个电芯上。这种设计在面对高串数电池（如36串电池）时，需要多枚支持高串数管理的电池管理芯片，导致接线复杂且冗长。随着技术的发展，分布式和半分布式BMS设计正逐渐成为更受欢迎的选择。
集中式BMS的优点主要体现在其结构紧凑，通常只需一个盒子即可，不仅成本具有优势，而且维护简便，通常只需整体更换即可。然而，它也存在一些明显的缺点，如扩展性不佳，一旦产品定型，若需扩展则必须重新设计。此外，由于线束过多且过长，可能引发安全隐患，同时也会导致整体损耗增大和监控采集精度降低。
接下来，我们将探讨半集中式（模块式）BMS的特点。
模块式BMS被精心设计成多个相同的子模块，每个模块都负责监测电池内部特定区域的状况。尽管这些模块功能相似，但其中会选定一个作为主模块，负责整个电池包的管理、调度以及与外部的通信。其他从BMS模块则通过通讯总线与主BMS保持联系。这种设计既保留了集中式BMS的诸多优点，如维护便捷、成本经济，又克服了线束过长可能引发的安全隐患和监控精度下降的问题。
然而，模块式BMS也存在一些挑战。由于每个模块都需要与电池组连接，并且模块之间也需要导线连接，因此需要增加额外的导线，这在一定程度上增加了成本。此外，尽管每个模块的功能相同，但并非所有功能都被充分利用，尤其是从属模块，这在一定程度上造成了资源的浪费。
为了进一步优化结构，降低成本，研究者们提出了主从式BMS设计。如图1-5所示，主从式BMS根据模块的功能进行区分，将从不使用的功能去除，从而降低了成本。主BMS承担了计算、预测、决策以及通信等重要功能，而从单元则专注于测量任务。这种设计不仅继承了模块式结构的优点，还进一步降低了扩展成本。
在集中式和半集中式BMS中，电子器件通常通过引线进行测量，并未直接安装在单体电芯上。然而，分布式BMS系统（如图1-6所示）则大不相同，其CSU测量单元与其他电子设备被直接集成在单体电芯一体的电路板上。这一设计创新使得BMS与单体电芯之间的引线需求大大减少，甚至几乎可以忽略不计。同时，分布式BMS也配备了一个控制器，负责进行运算、预测、决策等关键任务。模块间通过总线进行通讯，这在汽车上通常采用CAN总线技术。
图1-6展示了分布式BMS的独特设计。这种设计带来了诸多优势，包括出色的扩展性，能够精细到单体电芯的级别进行扩展。同时，其连接可靠性极高，由于线缆长度大大缩短，电芯与测量电路的结合更为紧密，从而减少了干扰和误差，提高了整体的安全性。此外，分布式BMS还具有出色的维护性，局部损坏时仅需更换小范围单元即可。表1-2进一步总结了三种不同结构BMS的优缺点。
表1-2：三种BMS样式对比
4 BMS和电池的理化性质
锂离子电池，以其独特的化学性质，构成了现代电池技术的基础。这种电池以金属氧化物阴极为核心，与石墨阳极共同参与充电和放电的反应。其中，镍锰钴（NMC）和磷酸铁锂（LFP）是两种最为常见的锂离子化学物质。NMC以其卓越的能量密度推动了电池技术的进步，然而，其包含的镍和钴元素在地球上较为稀有，提取成本较高。相较之下，LFP虽然能量密度稍低，却因其不含昂贵且稀有的元素而具有显著的成本优势。此外，LFP还拥有出色的生命周期和稳定性，使其在长续航汽车领域占据了一席之地。
然而，LFP电池的平稳放电曲线对电池监测技术提出了更高的要求。同时，随着科技的发展，成本更低的钠离子电芯也逐渐崭露头角，未来有望与LFP电池形成竞争态势。固态电池技术的发展也为电池行业带来了新的变革。与传统锂离子电池使用的液态电解液不同，固态电池采用了玻璃、陶瓷、固态聚合物或硫化物等固体电解液。这种新型电池不仅具有更高的能量密度、可靠性和抗老化特性，还具备更快的充电速度和更高的安全性。因此，多家汽车制造商都在积极研究固态电池技术，以期在未来市场中占据领先地位。
接下来，我们将深入探讨BMS中的关键组件——电芯监控单元（CSU）。CSU通过实时监测每个电芯的电压和温度来收集电池参数信息，并将这些信息发送给电池控制单元（BCU）。同时，它还能通过执行电芯均衡来补偿电池电芯之间的一致性差异。这一技术对于保障电池系统的安全、稳定运行具有重要意义。
简化的CSU内部结构示意图显示，CSU在电池包中紧密部署，与电芯监测器器件的布线线束相连，确保关键电池包数据能高效回传至主机BCU。从上述CSU系统框图可见，CSU主要包含电池监控器、电池平衡器以及均衡电阻等核心组件。
图2-1展示了简化的CSU系统方框图，而图2-2则描绘了车载电池中4并多串的电池CSU系统，其差异在于图2-2中新增了一枚UIR芯片。但需注意，此UIR芯片的功能实际上更倾向于BDU，而非CSU。严格来说，CSU仅包含电芯监测/均衡器这一核心部分。
图2-3展示了无线CSU的简易结构。相较于常规的BMS，它省去了二级电芯包之间的连线，从而带来了多重优势：首先，减少了线束导致的电力损耗；其次，节省了线束占用的空间；再者，简化了装配过程，降低了装配复杂度和风险；此外，还减少了线束损坏引发的工作异常和短路可能性；最后，提高了单元故障的可维修性。尽管无线式CSU需要增加无线传输芯片，但总体而言，其成本与使用线束和隔离器件的方案相当。
接下来，我们探讨CSU的功用。通过CSU输出的诊断数据，BCU能够掌握整个电池包的运行状态和荷电情况，这直接关系到系统的安全性。借助高精度的监测器，SOC/SOH算法能够为驱动器提供极为精确的估算结果，从而充分利用每次充放电的效能。在电池包中精心部署CSU，还能精准确定车辆的充放电周期，为驾驶者提供更加安全和出色的驾驶体验。
随着LFP电池的日益普及，与NMC电池相比（如图2-4所示），其更为平稳的放电曲线对电芯电压测量数据的精确度提出了更高要求。只有精准的电芯电压测量数据，才能准确估算电动汽车的行驶里程。高性能的CSU能够提供±1mV精度的电芯电压测量，以及具备300mA电流能力的被动电芯均衡功能，同时支持电压和电流的同步测量，确保更为精准的运行状况和荷电状态计算。
图2-4展示了不同电池化学成分的放电曲线，其中红色代表NMC，蓝色代表LFP。接下来，我们将深入探讨CSU的性能参数评估。CSU的性能主要体现在前端精度上，这涵盖了几个关键指标，包括ADC精度、被动均衡电流、是否可堆叠及最大串接数、额外的安全保护功能、工作电压/耐压，以及集成/外置驱动等。
在对比了主流厂商的CSU芯片后，我们发现国产的CSU表现亦不俗。例如，中颖电子的SH367309芯片，虽不可堆叠，但能支持5-16串电芯，且其消费级芯片已早早进入HW的供应体系，足见其性能与市场认可度。
表2-1：TI的电池监控与均衡解决方案
在探讨CSU性能的同时，我们也不妨关注一下TI（德州仪器）提供的电池监控与均衡方案。该方案涵盖了多个关键指标，如电池电压监控、温度监测、均衡控制等，为电池系统提供了全面的保护。同时，其高集成度和灵活性也使得该方案在市场上备受瞩目。
表2-2：ADI的电池监控平衡器概览
除了TI的解决方案，ADI（亚德诺半导体技术有限公司）也提供了出色的电池监控平衡器。这款产品同样具备多项功能，包括电池电压的实时监控、温度的精准测量，以及高效的均衡控制，为电池系统提供了坚实可靠的保障。其出色的性能和灵活性，使得ADI的电池监控平衡器在市场上同样占据了一席之地。
表2-3：NXP的电池监控平衡器概览
NXP也提供了卓越的电池监控平衡器，进一步丰富了市场选择。这款产品同样具备多项关键功能，如实时电池电压监控、精确温度测量，以及高效的均衡控制，为电池系统提供了全面的保护。其高性能和适应性，使得NXP的电池监控平衡器在竞争中脱颖而出。
5 小结
随着电池包电芯状态测量的日益详细，我们能够更充分地发挥电池系统的优势。为了实时监测运行状况和荷电状态，以高数据速率进行安全可靠的同步测量变得至关重要。在400V以上高压电池包成为趋势的背景下，智能CSU设计不仅有助于降低功耗和线路损耗，还推动了电池包内电芯数据传输的增加。
BMS-3---BCU
BCU作为BMS的核心部件，负责计算电池的健康状态和荷电状态。它利用CSC和BJB提供的精确数据做出决策，确保电池的安全性和性能优化。此外，BCU还能协调BMS的电池均衡功能，确保电池系统稳定运行。
1 BCU的定义与功能
如图3-1所示，在低压系统中，CSU、BCU和BDU往往是合并的，而在48V及以上的系统中，BCU则扮演着至关重要的角色。它负责监测电池状态，做出决策，并协调均衡功能，确保电池系统的安全与性能。
图3-1：低压BMS架构
在高压系统中，BCU的架构则有所不同。图3-2展示了这样的系统中典型的BCU方框图。BCU主要由通信芯片和MCU组成，其中MCU担任主控角色，而通信芯片则负责连接MCU与CSU和BJB。该芯片能将CSU和BJB菊花链上的信号转换为解码比特流，并传送至MCU进行处理。MCU芯片的任务是处理BMS AFE芯片采集的数据，并据此计算电池的荷电状态（SOC）。此外，MCU还需轮询CSU和BJB提供的所有测量信息，以计算电池的整体状态，并对任何来自CSU和BJB的故障或诊断信息做出响应。值得一提的是，精确计算SOC需要深厚的技术与经验积累。
图3-2：典型BCU（BMU）方框图
在传统的电池管理系统中，BCU（或BMU）扮演着多重角色，不仅监测电池的SOC（荷电状态）和SOH（健康状态），还负责电流检测、绝缘监测、链路诊断以及充放电继电器的驱动控制等功能。然而，随着智能BJB技术的出现，如图3-3所示，BCU的诊断和控制任务逐渐被移交给智能BJB中的核心UIR芯片来处理。这使得BCU能够更加专注于SOC和SOH的监测工作，从而提高了系统的效率和准确性。
图3-3：带UIR的BCU简图
2 BCU的性能参数评估
BCU在电池管理系统中扮演着至关重要的角色，主要负责监测电池的SOC和SOH。然而，其性能并不仅仅取决于这些监测功能，还与所采用的软件算法紧密相关。MCU作为BCU的控制核心，其选择对于系统的效率和准确性至关重要。在满足ASIL D安全等级的前提下，如NXP的S32K3系列，提供了单核M7至多核M7且带锁步功能的不同选项，而TMS570LS0432则以其双R4锁步核和80MHz的工作频率脱颖而出。
3 小结
车载BCU面临高标准与复杂工况的挑战，因此必须具备支持内部SOC和SOH算法可更新的能力。通过CAN远程升级功能，系统能够在不同季节和环境温度下执行适当的充放电和电芯平衡策略，从而尽可能保持电芯的一致性，延缓电池的衰减速度。
接下来，我们将探讨BMS的另一关键组件——BDU。它直接接触高压大电流，主要负责干路的通断，因此也被称为电池智能断连单元。在传统断连导通的基础上，BDU逐渐融入了更多的监测和保护机制，以提升系统的安全性能。
图4-1：智能BJB架构的优势
智能BJB架构带来了显著的优势。它清晰地划分了高压区域与低压区域，确保所有高压信号都在BJB内直接进行测量，从而使得BCU能够以低压设计方式存在。此外，电池包监测器采用了专有的菊花链接口，支持分立式电容器隔离，从而省去了昂贵的数字隔离器器件。这种菊花链通信方式还具有诸多额外优势，如无需收发器（如CAN）等任何其他元件，也不需要额外的MCU来控制和驱动通信协议。将电池包监测器置于BJB内部或其周边，可以迅速访问高压信号，无需将多条长导线连接回BCU进行电流测量和分流电流检测。
图4-1：传统BMS架构与智能BJB架构的对比
采用智能BJB架构后，我们显著减少了BMU和BJB接口间的连接数量。这不仅简化了硬件设计，还为MCU软件开发带来了便利。此外，该架构还实现了同步的电压和电流测量，进一步优化了电池管理系统的性能。
图4-2：完整的BMS简图
通过观察图4-2和图4-3，我们可以清晰地看到BJB所包含的丰富功能，如电流（过流保护）检测、温度监测、绝缘检测，以及高边和低边继电器驱动器的控制。这些功能共同构成了BMS的重要组成部分，确保了电池管理的安全与高效。
图4-3：智能BJB部分简图
3 BDU的链路
智能BJB通过电压、电流和绝缘电阻电池包监测器，实现对电池高电压的直接测量。这些电池包监测器通常配备多个电压和电流测量通道，能够测量保险丝和接触器两端的电压，并检测BJB中的隔离电压。图4-4展示了简化版的系统图。
图4-4：简化版BJB系统方框图
在图中，我们可以清晰地看到UIR主芯片作为BDU的核心组件，不仅替代了SOC/SOH MCU的功能，还集成了多项关键任务。它负责完成PACK检测、绝缘电阻检测、链路诊断（Link+/-）、充电控制/检测、霍尔传感器读取、VFUSE控制、继电器驱动器控制以及干路电流检测等重要功能。
此外，为了应对电池包电流的测量需求，系统中配备了过流保护功能，确保安全无虞。以UIR芯片BQ79731-Q1为例，这款电池包监测器不仅具备库仑计数功能以计算荷电状态，还实现了电压和电流的同步测量。它能够通过CSU测量电池电芯电压，同时捕获电池包电流和电压信息，再经由任一菊花链式通信接口将数据轮询至BCU。
同时，BQ79731-Q1芯片还配备了串行外设接口（SPI）控制器通道，用于控制接触器驱动器和爆炸熔丝，从而减轻了对BCU额外SPI资源的需求。
在电池包的应用中，机械接触器由电池包监测器精心控制，负责连接或断开整个车辆的子系统。这些接触器的任何潜在故障或与高压连接的接触不良都可能对驾驶员构成致命威胁。因此，系统的设计必须格外谨慎，以防止机械高压接触器因浪涌电流而发生电弧和点蚀导致的焊接或损坏。
综上所述，由于BDU在干路检测中的关键作用，其设计必须具备高精度的电流检测能力和冗余性的先进架构，以确保在更高安全级别下部署系统。
