BMS子系統和拓撲

電池的物理結構決定實(shí)現電池管理系統的架構選擇，每一層將在BMS的功能中形成一個(gè)子集：

在低層是電芯采集單元（CMU），每個(gè)CMU連接到一個(gè)單獨的電芯，或多個(gè)并聯(lián)連接的電芯，并測量電芯電壓和溫度，并提供均衡功能。

中間層是模組管理單元（MMU），分組為多個(gè)CMUs，并為高層提供比CMU更上等別的功能。

高層是電池包管理（PMU），功能為監控電池包并與應用之間進(jìn)行通信，通常通過(guò)CAN總線(xiàn)通信。

這種分類(lèi)可以分為三種架構拓撲：

①集中式：在集中式BMS中，所有三層都組合在一個(gè)實(shí)體中，BMS直接連接到所有的電芯。由于需要大量的連接，集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于電池包的總電壓存在于輸入端，這種情況下很難滿(mǎn)足隔離要求。

②模塊化：在模塊化的BMS中，多個(gè)MMUs（具有自己的CMUs）與單個(gè)PMU通信。MMUs靠近電芯，降低了布線(xiàn)的復雜性。MMU通過(guò)一個(gè)隔離的接口與中央PMU通信，避免了集中式BMS的隔離問(wèn)題。一種常見(jiàn)的變體是MMU/CMUs被縮減到小的度量和均衡單元（從板），并與中心PMU（主板）通信。

③分布式：在完全分布式的體系結構中，多個(gè)PMU控制它們自己的電芯，它們可以相互通信，但彼此獨立運行。在極端的情況下，每個(gè)電芯都配備了一個(gè)微控制器來(lái)跟蹤SOC，決定均衡、旁路電芯等動(dòng)作，這種拓撲結構提供了高的靈活性和可伸縮性，但具有很高的復雜性和成本。

大多數商業(yè)BMS采用模塊化拓撲結構，因為它們在復雜性、成本和靈活性之間提供了佳的折衷。

高壓電池包組成

除了BMS的功能外，對BMS的比較和分析還需要對高壓（HV）電池組的結構有基本的了解。因此，在本節中，簡(jiǎn)要介紹了電池組的典型部件，并對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了圖示。

純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）的電池包由電池模塊、一個(gè)BMS、一個(gè)冷卻系統、一個(gè)電池斷開(kāi)單元（BDU）、外殼以及用于高壓和數據連接的接口組成。這些組件的示意圖如圖3所示，其中BDU稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)盒”（有時(shí)BDU或開(kāi)關(guān)盒也稱(chēng)為“電池接線(xiàn)盒”）。

在圖3中，每個(gè)電池模塊上都有一個(gè)BMS從屬模塊，它執行直接的電池監視并連接到BMS主模塊。除了將電池組電壓切換到外部的高壓接觸器外，BDU還包括一個(gè)保險絲、一個(gè)總電壓和總電流傳感器、一個(gè)預充電電阻和一個(gè)等壓表。預充電電阻限制涌進(jìn)電流，等壓表檢查殼體或車(chē)身是否與高壓部件充分隔離。BMS還可以通過(guò)控制加熱器保持其低工作溫度，或控制風(fēng)扇或液體冷卻系統使其低于高工作溫度，從而主動(dòng)管理電池組的溫度。

BMS集成電路

BMS使用集成電路（ICs，也稱(chēng)為微芯片）來(lái)實(shí)現其功能。用于BMS的ICs可分為提供測量電芯的電壓和溫度電池傳感器ICs，和使用傳感器的值以確定電池組的狀態(tài)和保護電芯免受**操作區域之外操作單片機ICs。

有幾種集成電路用于測量電池參數（電壓、溫度和電流），它們在測量精度、功耗、占用空間和成本方面有所不同。

電池管理應用的電芯監測集成電路的常見(jiàn)制造商包括：

Linear Technology：線(xiàn)性技術(shù)的LTC6802、LTC6803和LTC6804產(chǎn)品線(xiàn)，可以處理多個(gè)電芯的化學(xué)反應，并測量多達12個(gè)電芯的0 - 5V電壓。它是專(zhuān)為混合動(dòng)力汽車(chē)牽引包設計的。

Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600產(chǎn)品線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應用程序設計的，可以監控多達12個(gè)鋰離子電池。

Maxim：Maximd的MAX14920、MAX14921系列可處理3-16個(gè)鋰離子電池。

德州儀器：德州儀器是小型鋰離子電池集成電路的實(shí)際***，如手機和筆記本電腦。

Analog Devices：AnalogDevices的AD7280鋰離子監測IC類(lèi)似于Linear Technology的芯片。

電池傳感器集成電路通常采用所謂的多路復用結構，將每個(gè)電池（輸入對導線(xiàn)）的電壓依次轉換成單個(gè)模擬或數字輸出線(xiàn)路，而不是并行地監視所有的連接單元。這種方法降低了成本，但它的缺點(diǎn)是一次只能監視一個(gè)電芯電壓，可能會(huì )由于采樣而丟失重要信息。然后需要一種高速開(kāi)關(guān)機構將輸出線(xiàn)切換到每個(gè)電芯，以便能夠以足夠的頻率連續監視所有電芯。

電池主控制器集成電路

電池管理系統中微控制器常用的芯片架構包括:

ARM Cortex：Cortex M0、Cortex M1和Cortex M4是一組用于嵌入式微控制器的處理器核心。Cortex-M4核心可選地包括浮點(diǎn)單元。制造商包括Atmel、Microchip、STMMicroelectronics、NXP、Texas Instruments和英飛凌。

MIPS 4K：MIPS是嵌入式系統的模塊化微控制器體系結構，支持可選的協(xié)處理器和浮點(diǎn)單元。為MIPS提供了廣泛的嵌入式開(kāi)發(fā)工具。例如pic32處理器系列的微芯片。

TriCore：TriCore是英飛凌的雙核32位微控制器架構，它是專(zhuān)門(mén)設計用于汽車(chē)和**關(guān)鍵應用。

68000：68000是一個(gè)32位微處理器架構，初由摩托羅拉開(kāi)發(fā)，制造商包括德州儀器、西門(mén)子和NXP。

BMS計算和軟件架構

與其他嵌入式控制系統類(lèi)似，BMS實(shí)現通常遵循多層體系結構。這意味著(zhù)BMS軟件功能可以分為不同的層：

底層用于設備驅動(dòng)程序和硬件接口例程。

中間層提供通信協(xié)議的實(shí)現和物理測量的解釋。

上層用于上等電池計算，如充電狀態(tài)和功率限制計算。

頂層應用程序層負責根據較低層提供的信息進(jìn)行決策。

這種多層方法及其抽象層的嚴格使用極大地提高了BMS軟件代碼的可重用性和可維護性。例如，根據SOC決定連接或斷開(kāi)電池的應用程序不需要有關(guān)SOC如何計算的信息，實(shí)際上，在不同的應用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此，SOC計算算法不需要了解如何處理其輸入（溫度、電壓、電流）的細節。更一般地說(shuō)，如果維護分層體系結構，則可以修改任何層，從而限制相鄰層的結果。

大多數BMS軟件架構為BMS的不同功能實(shí)現了一個(gè)多任務(wù)環(huán)境。這種環(huán)境可以是簡(jiǎn)單的循環(huán)任務(wù)調度程序，也可以是更復雜的、完全搶占式的多任務(wù)操作系統。BMS是**性?xún)?yōu)先的系統，以確保任務(wù)負責的**功能，如電壓測量和相關(guān)的過(guò)度充電和過(guò)放電保護、溫度和電流測量和接觸器驅動(dòng)——及時(shí)執行。在一個(gè)搶占式的多任務(wù)環(huán)境中，任務(wù)可能被暫時(shí)中斷，以執行其他任務(wù)，然后在稍后恢復，因此至關(guān)重要的是，對**至關(guān)重要的BMS任務(wù)不會(huì )顯著(zhù)延遲。為了確保實(shí)時(shí)功能，幾個(gè)BMS實(shí)現建立在像FreeRTOS或μC / OS-II實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），切換任務(wù)基于優(yōu)先級，并且可以提供接受并完成特定任務(wù)的時(shí)間擔保。