1.6 电池管理系统的分类

BMS可依据功能、技术和拓扑结构等进行分类。

1.6.1 按功能分类

BMS功能范围广泛，从很少甚至基本不控制单体电池的简单系统，到以各种可能的方法监视并保护电池的复杂系统。作为新兴产业，尚未有完整的专业术语用以描述不同功能类型的BMS。按照系统复杂程度增加的顺序，BMS分为如下几类：监测器、监控器、均衡器、保护器。

（1）监测器 监测器的作用仅是监测参数，并不能主动控制充电或者放电过程。监测器可以满足热衷于了解单个单体电池电压，并想要在意外发生时进行手动调整的业余爱好者或者研究人员。此类装置一般包括如下功能：

1）测量每个单体电池电压。

2）测量电池组的电流及温度。

3）编译数据。

4）计算或者评估电池组的状态，如SOC。

5）在显示屏上显示上述结果。

6）也可能包含警告功能（应用提示灯或者蜂鸣器）。

监测器的系统结构如图1-6所示。

监测器将自身集成到了整个BMS中，如果没有使用者，那么整个系统的控制环就会被打断，电池组可能由于过度充电而毁坏，恒流恒压充电器没有起作用。监测器无法防止单个单体电池过充电、过放电，也不能实现均衡电池组的功能。

（2）监控器 监控器与监测器类似，它也可以测量每个单体电池的电压，但监控器确实实现了闭环控制。在电池工作过程中，如果出现故障，含有监控器的系统并不依赖于附近的使用者，而是直接采取正确的措施，通过间接控制充电器和负载实现系统的自动控制。监控器可能无法对电池组的性能进行优化（无法实现均衡），但监控器可以自动保护系统使之工作在安全区域内。监控器通常被研究人员用来测试锂离子电池组，其系统结构如图1-7所示。

监控器并不具有切断电池组电流的功能，它所能做的就是向其他设备（如充电器、负载）发送指令，以实现减小或者切断电池组电流的目的。如果电池系统内并没有接收和实现需求的设备，那么系统内必须有一个大功率开关（一般是接触器或大功率继电器），同时均衡器必须能够激活该开关来切断电池组电流。监控器可能是单机模式（仅有少数的导线控制关断充电器和负载），又或者它具有显示或通信设备向系统其他部分发送数据的功能。监控器可以为电池组提供全面的保护，但是它无法实现单体电池之间的平衡。

（3）均衡器 均衡器类似于监控器，但它还能够通过均衡单体电池来实现电池组性能的最大化，包含通信线，可以向系统的其他部分传输数据。均衡器是目前锂离子电池组研究人员的首选，其系统结构如图1-8所示。

均衡器可以和电池物理隔离，也可以直接安装在单体电池上，或者是这两种方式的组合。它可以采用不同优缺点的均衡策略对电池进行控制，均衡器的连线方式使之可以控制充电电源和放电负载。

（4）保护器 保护器类似于均衡器，但是它比均衡器多了一个可关断电流的开关。保护器通常是集成于电池中的一部分，与电池放在同一个封装内，仅有两个功率端子从封装内部伸出。保护器通常被应用于消费类电子产品中，但是它基本不被用于专业的、大型的锂离子电池组中，这是因为保护器内部的开关无法应对大功率负载，其系统结构如图1-9所示。

保护器内部的开关通常采用固态开关（如晶体管等），充放电时能够处理高达50V的电压，能够处理的电流为5～50A。实现这样的功能需要两套串联的晶体管，分别对应电池组的充放电电流方向。晶体管功率等级一般仅能用于小型电池。对于小型电池的管理，保护器是完全能够胜任的。

1.6.2 按技术分类

目前有两种基础技术用来搭建BMS，即模拟方式和数字方式。两者的区别在于如何对单体电池电压信号进行处理。当然，所有系统都需要来自前端的模拟信号，BMS所用的处理单体电池电压的模拟电路（如模拟比较器、放大器、差分电路或者类似的元件）都为模拟系统。而将单体电池电压处理为数字信号的BMS称为数字系统。

（1）模拟型 模拟BMS的能力十分有限，仅仅能完成必需的BMS功能。首先，模拟BMS不能监测单个单体电池电压，它或许可以检测到某个单体电池电压过低，但无法获知具体是哪一个单体电池或该单体电池电压有多低。只要BMS可以在单体电池电压低时关断负载，那么不知道哪个单体电池电压低、该电压有多低都不会产生问题。但当需要在不接通电路时对电池进行分析并利用电压表进行测量时，就会出现问题。

针对并联均衡分流设备的供电问题，选用一个单体电池进行供电，并通过电源监测集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片实现监控与控制调节。在单体电池电压超过IC设定的电压时，起动分流设备使其工作。IC内部由两部分组成，参考电压和模拟比较器。当单体电池电压超过参考电压时，比较器输出状态反转。由于模拟比较器的存在，并联均衡分流设备可视为模拟型设备，系统结构如图1-10所示。

（2）数字型 数字BMS可以准确监测每个单体电池的电压（甚至更多，比如单体电池温度、状态）。因此，数字BMS可以共享这些数据，这一点对于分析整个电池组的状态来说是非常有意义的，系统结构如图1-11所示。

该设备包括一个模拟的多路复用器，可以对串联单体电池上相邻导线搭接处的电压进行选择并采样，然后将数据发送到模-数（A-D）转换器。在此之后，BMS以数字方式实现所有功能，例如对相邻导线搭接处的电压进行减法运算，从而计算出两个导线搭接处中间单体电池上的电压。

1.6.3 按拓扑结构分类

BMS可以根据其安装方式进行分类：第一类为直接连在每个单体电池上进行安装；第二类为整体安装；第三类混合运用第一类和第二类安装方式。拓扑结构是BMS非常重要的特性，它会影响系统的成本、可靠性、安装维护便捷性以及测量准确性。本节根据拓扑结构将BMS分为集中式、模块式、主从式和分布式几种类型，其性能比较见表1-2。

（1）集中式 集中式BMS（见图1-12）位于一个封装内，从封装内部延伸出一束导线（N个单体电池时为N+1根导线），连接到单体电池上。使用一个封装结构，具有如下几个优点：

1）结构紧凑。

2）价格最便宜，将一系列电子元器件安装在一个封装内部比安装在多个封装内部要便宜。

3）当BMS需要检修时，仅需要替换一个封装，非常简便。

例如，Convert The future公司的Flex BMS48就是一个集中式、规模化的BMS。

（2）模块式 模块式BMS与集中式BMS相似，但是模块式BMS系统被分为多个相同的子模块，每个封装的导线分别连接电池内部不同的模块。通常，其中一个BMS子模块被设计为主模块，管理整个电池模块并与系统其他部分通信，而其他BMS子模块则只起到远程测量的作用，通信导线会将模块的读数传递到主模块。

模块式拓扑具有集中式拓扑的大部分优点，此外，由BMS子模块到单体电池的导线方便管理，每个BMS子模块放在离电池最近的位置；易于扩展，可以增加更多的BMS子模块。

其缺点为成本比集中式拓扑高，从属模块功能重复。

模块式BMS需要增加额外的搭接导线，两个子模块的导线搭接处需要两根导线，每个模块一根，其拓扑结构如图1-12所示。

由于每个模块仅能处理一定数量的单体电池，所以在物理上通常增加模块的方式，这比使用较少模块、应用较多导线的方式更加可靠，但是这样有时会导致一些BMS模块的闲置，造成了资源的浪费。Reap System公司的14芯数字BMS是较为典型的规模化、模块式BMS。

（3）主从式 主从式BMS与模块式BMS相似，主从式BMS应用多个相同的模块（即从属模块），每个模块测量一些单体电池电压。然而，主模块则与其他模块不同，它不测量单体电池电压，仅进行计算和通信，其拓扑结构如图1-13所示。

主从式BMS同时具有模块式BMS大部分的优点和缺点。此外，主从式拓扑结构中，从属模块的成本要比模块式结构低，因为主从式拓扑中的从属模块经优化后，其功能仅有一项，即测量电压。Black Sheep公司的BMS Mini V3是较为典型的规模化、主从式BMS。

（4）分布式 分布式BMS与其他拓扑结构的BMS存在着明显的不同，在其他拓扑结构的BMS中，各电子设备并不会被分别安置于单体电池上。在分布式BMS中，电子元器件被直接安装在与待测单体电池一体的电路板上。在其他拓扑结构下，需要在单体电池和电子元器件之间连接大量的线缆，而对于分布式BMS来说，仅仅需要在单体电池电路板和BMS控制器之间使用较少的连接线，就可以达到相同的效果。BMS控制器用于控制整个系统的计算及通信（在一些简单的应用中，并不需要BMS控制器）。EV Power公司的BMS-CMI60-V6就是一个较为典型的、规模化的分布式BMS，其拓扑结构如图1-14所示。

相比于其他拓扑结构的BMS，分布式BMS具有较为明显的优缺点，见表1-3。对于各种拓扑的BMS，并没有一个明确的选择指南，只能根据自身应用需求进行选择。这些需求一般有安全性、开销（组成部分、装配和维护）以及可靠性等。