電池市場正在不斷升溫。盡管電動汽車（EV）僅占據(jù)市場的一部分，但隨著人們對電力儲、及電動卡車以及飛機的興趣的不斷增長，電動汽車成為這一趨勢中的重要一環(huán)。電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要性不言而喻。

電池管理系統(tǒng)結構十分復雜，負責監(jiān)控熱輸入、電氣性能、流體動力學及控制系統(tǒng)等多重標準和規(guī)程，旨在確保電池性能的最優(yōu)化、操作的安全性、延長使用壽命等。本文將深入探討電池管理系統(tǒng)的工作原理要點、其重要性、各類系統(tǒng)分類、設計考量因素的演變，以及新思科技如何協(xié)助電池開發(fā)者推動創(chuàng)新并實現(xiàn)系統(tǒng)的虛擬化。

電池管理系統(tǒng)是什么？

電池管理系統(tǒng)是一套集成硬件與軟件的技術體系，專注于監(jiān)管由多個電池單體組成的電池組，這些單體被整合為模塊，并按照行列矩陣的方式電性連接。電池管理的復雜性在于，一個電池組可能包含數(shù)百至數(shù)千個電池單體。這些單體必須在預設的時間段內，在預期的負載狀況和環(huán)境因素作用下，穩(wěn)定地輸出特定范圍的電壓與電流。

▲圖1相鄰電池單元不匹配會在充電堆疊時引起問題

為確保電池能夠在各種不同條件下可靠運行，電池管理系統(tǒng)負責監(jiān)控電池狀態(tài)以識別條件變化的跡象，為電池在嚴苛環(huán)境下的運作提供保護措施，估算電池的實時運行狀態(tài)，調整電池性能以適應不斷變化的條件，向關聯(lián)設備反饋電池的運行情況，并執(zhí)行與其他系統(tǒng)的通信任務。此外，電池管理系統(tǒng)還具備記錄事件數(shù)據(jù)的功能，從而為后續(xù)產品迭代中電池行為、性能和安全性的提升提供數(shù)據(jù)支持。

電動汽車中的電池系統(tǒng)在車輛行駛之前，必須適應多種環(huán)境條件，確保能夠可靠啟動并持續(xù)運行。比如車輛可能會進入山區(qū)，在夜間遭受低于冰點的低溫考驗；或者在非常炎熱的夏季，連續(xù)數(shù)小時在高溫下行駛。無論哪種情況，為了確保電池的最佳性能和長期耐用性，都必須將其維持在理想的溫度區(qū)間內。

電池管理系統(tǒng)的重要性

電池管理系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于保障功能安全與提升性能。首先探討安全性問題，在大型電池組的運行過程中，存在可能致命的高電流與電壓水平，必須對其進行嚴格控制，以確保在惡劣工況下電池組的結構與功能完整性。以電動汽車為例，如若發(fā)生碰撞事故，電池管理系統(tǒng)在保障電池（及駕駛員）安全方面發(fā)揮著至關重要的作用，它能夠迅速切斷電池與車輛的連接。

就性能而言，每個電池單體之間需要維持相對一致的良好狀態(tài)；必須避免電池單體的過充或過放，因為這會損害整個電池組的壽命。鑒于制造過程中的差異性，即便是同一生產線上的電池組內各電池單體也不可能完全等同。盡管初始差異微乎其微，但若未妥善管理，電池在使用過程中可能會迅速喪失容量。隨著某些電池單體性能下降，過充時可能在電池組內引發(fā)“熱點”現(xiàn)象。電池管理系統(tǒng)扮演著類似監(jiān)管機構的角色，以防止此類問題的發(fā)生。

▲圖2電池管理系統(tǒng)監(jiān)測每個電池單元，并利用晶體管開關以及與每個電池單元并聯(lián)的適當尺寸的放電電阻

總的來說，電池組保護管理確保電池單體在經歷高強度使用和快速充放電周期時得到充分的保護，從而使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并且預期能夠提供更長久的服務期限。

電池管理系統(tǒng)的類型

電池管理系統(tǒng)與電池本身相似，其復雜程度取決于應用場合以及為保障和優(yōu)化電池性能所需采取的不同策略。

盡管電池管理系統(tǒng)的分類方式多樣，但本文我們將依據(jù)其在電池組內對電池單體或模塊的安裝及運作方式進行分類討論。

集中式電池管理系統(tǒng)架構：該架構的特點在于電池組裝配中設有一個中央電池管理系統(tǒng)，所有電池包均與之相連。集中式電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其緊湊設計和較低的成本。然而，該電池管理系統(tǒng)需要眾多端口以實現(xiàn)與各電池包的連接，從而導致維護和故障排查工作變得復雜。

模塊化電池管理系統(tǒng)拓撲：此類電池管理系統(tǒng)被分割成若干復制模塊，這些模塊與相鄰電池堆區(qū)段相連。盡管模塊化電池管理系統(tǒng)拓撲的成本相較于集中式方案更高，但其故障診斷和維護更為便捷，且擴展至更大型電池組的過程亦更為簡化。

主/從電池管理系統(tǒng)架構：在此架構中，從屬模塊的功能僅限于向主模塊傳遞測量數(shù)據(jù)，而主模塊則承擔計算、控制處理以及外部通信任務。由于從屬模塊的功能較為簡單，因此該架構通常具有較低的成本。

分布式電池管理系統(tǒng)架構：該架構與前述三種架構相比差異最為顯著，其特點在于將所有電子硬件集成于一個直接安置在被監(jiān)控電池單元或模塊上的控制板上，以此省去了繁雜的線纜連接，增強了每個電池管理系統(tǒng)的自包含性。然而，這種設計也相應增加了故障診斷和維護的難度，并且由于在整個電池組結構中電池管理系統(tǒng)數(shù)量增多，導致成本上升

電池管理的發(fā)展歷程

過去幾十年中，電池管理技術隨著電池設計的演進而不斷進步。以往，電池組采用的是一種包含全局監(jiān)控單元、局部通信管理單元以及用于與其他電池組進行通信的接線盒的傳統(tǒng)架構，這種架構導致了大量線纜的使用。

當下趨勢正朝著更為集中化且無線化的電池管理系統(tǒng)理念轉變，該理念顯著減少了傳統(tǒng)架構中繁雜的線纜使用。這不僅便于維護操作，而且有效減輕了電池組的重量，從而直接提升了能源利用效率。對于電動汽車而言，這意味著能夠實現(xiàn)更長的續(xù)航里程，即在需充電前的可行駛距離增加，同時還縮短了系統(tǒng)的充電時長。

我們持續(xù)關注的另一趨勢是運用仿真技術進行電池管理系統(tǒng)設計，這主要歸因于當前電池的高度復雜性以及硬件開發(fā)、原型構建和測試所伴隨的一系列挑戰(zhàn)。仿真與虛擬原型技術賦予電池組開發(fā)者在設計流程初期便能驗證技術規(guī)格的能力，此時電池組架構及電氣負載（例如時鐘、牽引電機、連續(xù)充電模塊等）尚未明確且可能發(fā)生變動。在這一環(huán)節(jié)中，新思科技憑借其開發(fā)與特性化工具介入，提供虛擬控制器平臺，從而實現(xiàn)對虛擬硬件原型的高效軟件開發(fā)及其他拓展功能。

新思科技的SaberRD便是上述工具中的一種。它為開發(fā)者們提供了包括機械、電氣、數(shù)字、控制、熱和液壓在內的模型庫，便于用戶根據(jù)基礎數(shù)據(jù)手冊規(guī)格和測量曲線，迅速為眾多電子設備以及各類化學成分電池（含鋰離子電池）構建模型。借助蒙特卡洛統(tǒng)計分析、應力分析、最差情況分析和故障分析，可以在整個邊界區(qū)域運行范圍內進行驗證，從而確保電池管理系統(tǒng)的整體可靠性。這類工具極大程度地縮短了硬件原型制作周期，不僅降低了設計成本，還避免了可能產生的昂貴保修返修支出。隨著軟件在車輛運行中的關鍵性日益凸顯，電池管理系統(tǒng)亦可從汽車電子數(shù)字孿生技術中獲益，實現(xiàn)對從控制器硬件與軟件到完整的多域電池及功率電子系統(tǒng)的全面仿真。

結語

綜上所述，電池行業(yè)正快速發(fā)展，以應對電動汽車需求激增、可持續(xù)能源電力儲存的創(chuàng)新、電動飛機與卡車等新興應用的需求。與此同時，電池管理系統(tǒng)也在不斷進化，配合現(xiàn)代電池技術的發(fā)展，確保終端用戶的安全性，增強電池的可靠性，持續(xù)推進續(xù)航能力的提升，并降低制造成本。這樣一來，電池將在未來的世界中更加普及且高效地發(fā)揮作用。