第三篇不同行业的BMS架构

一、BMS系统的两大架构

BMS的系统架构在不同的行业是有着很大区别的，不过单纯从技术角度来分析，这个架构大体上也就是三种框架，即集中式，分布式和混合式三种技术架构，我们可以从下图有个基本的了解。

这里从图中可以看出，所谓的分布式就是在中间层增加了一层管理的小系统，这个小系统主要负责一部分电芯的信息的采集，然后通过总线上报给BMS控制板，BMS控制板根据上报信息在进行综合的保护措施和电量计算等管理。

说白了，就是跟公司里面的组织架构相同，当人数越来越多的时候，扁平化管理在大型的电池管理系统中是不可靠的，因此为了分担核心管理板的负荷，要把一些子任务分配给CSC模块来进行特权管理。

那么混合式的BMS系统其实就是权衡了成本，复杂度和可靠度之后设计的一个非标化的框架，一般采用的会比较少。

从集中式BMS到分布式BMS系统的演进路径来看，我们很容易分析出，这种演进的主要原因是需要管理的电芯越来越多了。

那么我们可以根据行业应用场景进行判断，汽车和大型储能行业多采用分布式的BMS系统，而对于便携式设备，小型代步车辆以及一些家用低压设备往往采用集中式BMS系统。

二、集中式BMS系统架构

集中式管理系统（大BMS方式）：集中智慧的电能治理

在集中式管理系统（大BMS方式）中，整个电能管理体系被安置在一个紧凑的“盒体”中，形成了一种集中式管理架构。

这种集中式的BMS模式将所有单体电池的电压、整包电流以及温度单元集中在一块BMS板上，由整车控制器或者系统主MCU直接操控继电器进行整个系统的上下电荷保护。

这样的集中式BMS在众多低压的混合动力电动车中得到应用，由于其结构简单，成本低廉，这种结构是非常普遍的。

BMS系统涵盖了电压、温度、电流等各项采集信号线，直接连接到控制器（MCU）上。采集模块（AFE）和主控模块（MCU）的信息交互则在电路板上通过IIC或者SPI等板级总线得以直接实现。

集中式BMS以其低成本、结构紧凑、可靠性高的特点，在电池容量相对较低、总电压较低、电池串数较少、电池体积较小的应用场景中广泛应用，尤其是在小型车辆中。

集中式架构的BMS硬件有时候也需要分为高压区域和低压区域。

高压区域负责单体电池电压、系统总电压以及绝缘电阻的监测，而低压区域则包含降压稳压电路、MCU电路、CAN通信电路和控制电路等。

其优势在于省去了板与板之间繁琐的通信线束和接口，从而大大降低了制造成本，同时信号传递的可靠性也得到提升。

然而，明显的缺点在于所有线束直接走线到控制盒，不论控制器位置如何，总有一部分线束会变得冗长，进而增加了信号受干扰的风险。线束的质量、制作水平以及固定方式也因此受到了更大的考验。

集中式BMS的优势：

经济实惠： 集中式BMS的主控制器数量有限，因此整体成本相对较低。特别是对于小规模储能系统，采用集中式BMS能够显著降低系统成本。
通信效率： 由于只需一个主控制器，集中式BMS通信负载相对较小，有效减少了通信问题的发生。

集中式BMS的挑战：

可靠性问题： 由于所有电池单体的监测和控制集中在一个主控制器中，主控制器故障可能导致整个系统失效，系统可靠性较低。
维护与升级难题： 所有电池单体监测和控制都依赖一个主控制器，这使得系统的维护和升级变得更加困难。一旦主控制器故障，需要停机进行整个系统的维护和升级。

三、分布式BMS系统架构

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分布式管理系统（BMU+多个CSC（BCU）方式）：电能智慧的分层构建

在分布式管理系统中，电池模组和CSC以一对一的方式独立分离功能，形成了CSC（单体电池组管理单元）、BMU（电池管理控制器）、S-Box继电器控制器和整车控制器，以三层两个网络的形式呈现。

这一结构如同一个主控盒和若干从控盒共同协作。主控盒仅接入通讯线，负责采集信号线以及为从控盒提供电源线等必需线束。从控盒则位于需要负责采集温度、电压的电池模组附近，通过CAN线将采集到的信号报告给主控模块。

一些电池模组直接在模组内部引出电压、温度采集线，通过一个线对线连接器连接。在电池包组装时，仅需对插连接器进行简单连接即可。

可以理解为，就是使用一种总线的形式链接子模块，通过数字通信的方式，省去了一堆乱七八糟的模拟线束。

分布式BMS的层次化管理

分布式BMS的架构实现了模块级（CSC Module）和系统级（Pack）的分级管理。

从控单元LECU（Local Electronic Control Unit）负责对Module中的单体进行电压检测、温度检测、均衡管理以及相应的诊断工作；而高压管理单元（HVU）则负责监测Pack的电池总电压、母线总电压、绝缘电阻等状态。

母线电流可由霍尔传感器或分流器进行采集。LECU和HVU将分析后的数据发送至主控单元BMU（Battery Management Unit），由BMU进行电池系统BSE（Battery State Estimate）评估、电系统状态检测、接触器管理、热管理、运行管理、充电管理、诊断管理，并执行对内外通信网络的管理。

分布式BMS的优势：

高可靠性： 由于每个电池单体都拥有独立的监测和控制系统，分布式BMS具有更高的可靠性。即使某个电池单体发生故障，其他电池单体仍能正常工作，整体性能不会受太大影响。
易维护和升级： 结构相对简单，每个电池单体可独立运行，维护和升级相对容易。单个电池单体发生故障时，可以直接更换，而不必停机进行整个系统的维护和升级。
灵活性： 分布式BMS的监测和控制系统分散在每个电池单体内部，系统更加灵活。根据实际需求可增加或减少电池单体，而无需担忧整体系统的复杂性。

分布式BMS的挑战：

成本较高： 每个电池单体都需要独立的监测和控制系统，因此成本相对较高。对于大规模储能系统，分布式BMS需要安装大量监测和控制系统，进一步提高了成本。
通信问题： 分布式BMS需要通过通信协议将每个电池单体的信息传输至主控制器。通信问题可能导致整个系统故障。此外，由于每个电池单体需要与主控制器通信，通信负载相对较大。

四、不同架构的应用领域

100V BMS 系统的集中式拓扑结构：智能管理低压领域

对于低于100V的系统，我们通常选择集中式电池管理系统。以下是100V BMS系统的拓扑结构，BMS控制器负责电池单体电压、温度采集，电池组间的主、被动均衡，电池组参数计算以及充放电控制。

集中式BMS以其成本低、结构紧凑、可靠性高的优点而闻名。它通常用于容量低、总压低、电池系统体积小的场景，例如电动工具、机器人（搬运机器人、助力机器人）、IOT智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车。

然而，随着乘用车动力电池系统向高容量、高总压、大体积的方向发展，插电式混动、纯电动车型主要采用分布式架构的BMS。

分布式BMS：智慧管理未来能源

目前，行业内关于分布式BMS的术语五花八门，不同公司有不同的叫法。动力电池BMS主要采用主从两层架构，如下图所示：

对于储能BMS，由于电池组规模庞大，大多采用三层架构。在从控、主控之上，还有一层总控，形成更为复杂的系统架构。

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储能的BMS的三层结构及主要功能：

从控层（BMU – Battery Module Unit）：

从控层主要负责电池单体级的管理，其主要功能包括：

电池单体信息采集： 监测电池单体电压和温度等关键参数，以获取准确的电池状态信息。
电池均衡： 在电池模组内部进行均衡操作，确保各个电池单体之间的电荷状态相对均匀。
信息上送： 传递采集到的电池状态信息至上一层主控层，以供整体电池簇管理。
热管理： 监测和调节电池温度，确保在适宜的温度范围内运行，提高电池寿命和性能。
异常报警： 发现电池单体的异常情况时，生成相应的报警信息，通知主控层进行进一步处理。

主控层（BCU – Battery Cluster Unit）：

主控层负责收集来自从控层的信息，并对整个电池簇进行综合管理，其主要功能包括：

电池簇电流采集： 监测电池簇内电流变化，获取电池组整体电流状态。
总电压采集： 测量电池簇的总电压，提供整体电压信息。
漏电检测： 进行漏电检测，确保电池系统在正常运行时不发生漏电情况。
断电保护： 在电池状态异常时，实施断电保护措施，确保电池系统的安全运行。
标定功能： 在BMS的管理下完成容量标定和SOC标定，为后续的充放电管理提供准确依据。

总控层（BAU – Battery Array Unit）：

总控层对整个储能电池堆进行集中管理，其主要功能包括：

充放电管理： 控制电池阵列的充放电过程，确保按照设定的电能需求进行操作。
自检与故障诊断报警： 对BMS系统进行自检，及时诊断系统内部故障，并生成相应的报警信息。
电池组故障诊断报警： 检测整个电池组的运行状况，发现异常时生成相应报警，通知操作人员采取措施。
安全保护： 处理电池阵列内各种异常及故障情况，采取安全保护措施，防范潜在风险。
与其他设备通信： 与PCS（电力转换系统）、EMS（能源管理系统）等其他设备进行通信，协同工作以实现整体电能管理。
数据存储、传输与处理： 负责电池系统数据的存储、传输和处理，确保数据的及时、可靠地传递给其他系统和设备。

分布式BMS的优势在于其高可靠性、易于维护和升级，以及更大的灵活性。在未来能源管理中，分布式BMS将扮演着越来越重要的角色，为电能系统的高效运行提供支持。