BMS子系統(tǒng)和拓撲

電池的物理結(jié)構(gòu)決定實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的架構(gòu)選擇，每一層將在BMS的功能中形成一個子集：

在低層是電芯采集單元（CMU），每個CMU連接到一個單獨的電芯，或多個并聯(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(jiān)控電池包并與應(yīng)用之間進行通信，通常通過CAN總線通信。

這種分類可以分為三種架構(gòu)拓撲：

①集中式：在集中式BMS中，所有三層都組合在一個實體中，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，這種情況下很難滿足隔離要求。

②模塊化：在模塊化的BMS中，多個MMUs（具有自己的CMUs）與單個PMU通信。MMUs靠近電芯，降低了布線的復雜性。MMU通過一個隔離的接口與中央PMU通信，避免了集中式BMS的隔離問題。一種常見的變體是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(jié)構(gòu)中，多個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，每個電芯都配備了一個微控制器來跟蹤SOC，決定均衡、旁路電芯等動作，這種拓撲結(jié)構(gòu)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(shù)商業(yè)BMS采用模塊化拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)有基本的了解。因此，在本節(jié)中，簡要介紹了電池組的典型部件，并對它們之間的關(guān)系進行了圖示。

純電動汽車（BEV）的電池包由電池模塊、一個BMS、一個冷卻系統(tǒng)、一個電池斷開單元（BDU）、外殼以及用于高壓和數(shù)據(jù)連接的接口組成。這些組件的示意圖如圖3所示，其中BDU稱為“開關(guān)盒”（有時BDU或開關(guān)盒也稱為“電池接線盒”）。

在圖3中，每個電池模塊上都有一個BMS從屬模塊，它執(zhí)行直接的電池監(jiān)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還包括一個保險絲、一個總電壓和總電流傳感器、一個預(yù)充電電阻和一個等壓表。預(yù)充電電阻限制涌進電流，等壓表檢查殼體或車身是否與高壓部件充分隔離。BMS還可以通過控制加熱器保持其低工作溫度，或控制風扇或液體冷卻系統(tǒng)使其低于高工作溫度，從而主動管理電池組的溫度。

BMS集成電路

BMS使用集成電路（ICs，也稱為微芯片）來實現(xiàn)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(qū)域之外操作單片機ICs。

有幾種集成電路用于測量電池參數(shù)（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(yīng)用的電芯監(jiān)測集成電路的常見制造商包括：

Linear Technology：線性技術(shù)的LTC6802、LTC6803和LTC6804產(chǎn)品線，可以處理多個電芯的化學反應(yīng)，并測量多達12個電芯的0 - 5V電壓。它是專為混合動力汽車牽引包設(shè)計的。

Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600產(chǎn)品線是專門為汽車應(yīng)用程序設(shè)計的，可以監(jiān)控多達12個鋰離子電池。

Maxim：Maximd的MAX14920、MAX14921系列可處理3-16個鋰離子電池。

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

Analog Devices：AnalogDevices的AD7280鋰離子監(jiān)測IC類似于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(jié)構(gòu)，將每個電池（輸入對導線）的電壓依次轉(zhuǎn)換成單個模擬或數(shù)字輸出線路，而不是并行地監(jiān)視所有的連接單元。這種方法降低了成本，但它的缺點是一次只能監(jiān)視一個電芯電壓，可能會由于采樣而丟失重要信息。然后需要一種高速開關(guān)機構(gòu)將輸出線切換到每個電芯，以便能夠以足夠的頻率連續(xù)監(jiān)視所有電芯。

電池主控制器集成電路

電池管理系統(tǒng)中微控制器常用的芯片架構(gòu)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(tǒng)的模塊化微控制器體系結(jié)構(gòu)，支持可選的協(xié)處理器和浮點單元。為MIPS提供了廣泛的嵌入式開發(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(gòu)，它是專門設(shè)計用于汽車和**關(guān)鍵應(yīng)用。

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

BMS計算和軟件架構(gòu)

與其他嵌入式控制系統(tǒng)類似，BMS實現(xiàn)通常遵循多層體系結(jié)構(gòu)。這意味著BMS軟件功能可以分為不同的層：

底層用于設(shè)備驅(qū)動程序和硬件接口例程。

中間層提供通信協(xié)議的實現(xiàn)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(yīng)用程序?qū)迂撠煾鶕?jù)較低層提供的信息進行決策。

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(jù)SOC決定連接或斷開電池的應(yīng)用程序不需要有關(guān)SOC如何計算的信息，實際上，在不同的應(yīng)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(jié)。更一般地說，如果維護分層體系結(jié)構(gòu)，則可以修改任何層，從而限制相鄰層的結(jié)果。

大多數(shù)BMS軟件架構(gòu)為BMS的不同功能實現(xiàn)了一個多任務(wù)環(huán)境。這種環(huán)境可以是簡單的循環(huán)任務(wù)調(diào)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(tǒng)。BMS是**性優(yōu)先的系統(tǒng)，以確保任務(wù)負責的**功能，如電壓測量和相關(guān)的過度充電和過放電保護、溫度和電流測量和接觸器驅(qū)動——及時執(zhí)行。在一個搶占式的多任務(wù)環(huán)境中，任務(wù)可能被暫時中斷，以執(zhí)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)不會顯著延遲。為了確保實時功能，幾個BMS實現(xiàn)建立在像FreeRTOS或μC / OS-II實時操作系統(tǒng)（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)的時間擔保。