一：鋰電池結構及電壓，容量的組成方式

鋰電池可分為電芯、模組和電池包。

電芯通常有三種不同的外形：圓柱、軟包和方形硬殼。由于電芯的可用電壓窗口和能量容量有限（例如，圓柱形鋰離子電池的3.7-4.2V和2000毫安），因此它們被通過將電芯置于串聯或并行配置中來組合成更大的電池組。

鋰離子電池通常先并聯，從而形成一個“更大容量的電池”，然后將并聯電芯串聯起來，從而降低了電池包保護的復雜性。在電池工業中，首先指定串聯的電池數量，然后是并聯的電池數量。例如，在日產Leaf電動車中，將2個軟包電池串聯起來，然后并聯起來，形成一個約7.5V和488Wh的“2S2P”電池模組，最后48個這種模組被組合成一個360V電池包。

2、BMS需求

在正常的操作條件下，鋰離子電池中的化學能轉化為電能，電池產熱有限。當電芯超出其限制（稱為安全操作區域（SOA））使用時，電能的轉換會很快超出控制并產生大量的熱。如果釋放的熱量超過電池外殼和冷卻系統的散熱能力，就會發生不可逆的熱失控，可能導致火災和爆炸。然而為了達到盡可能高的能量密度，電芯以幾何形狀緊密地堆疊在一起，加劇了這個問題。

因此，BMS最重要的任務是提供安全功能，使電池組中的電池在電壓、溫度和電流方面不超過規定的限值。

由于制造和老化的差異，電芯的容量或特性會有微小的差異。在電池包的使用壽命中，這些差異可能導致電芯之間的不均衡，其中一個電芯充滿電，而另一個電芯沒有。在充電或放電時，電池包總壓通常保持在其限度內，然而當電芯電壓沒有被監測時，在達到電池包限值和停止充放電之前一些電芯可能已經超出了它們的限值。因此BMS應該能夠監測電芯電壓并采取適當的安全措施。相反，當電芯被監測時，整個電池包的性能由最弱的電芯決定。BMS可以提供電芯均衡功能，在一定程度上克服電芯之間的小差異。反過來，這將提高電池包的使用效率（如電動汽車的行駛里程）和壽命。因此BMS的第二個任務是延長或提高電池的壽命和效率。

3、BMS功能

具體的BMS功能可以分為五個方面：

①檢測和控制：BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障，控制接觸器和熱管理系統。

②保護：BMS必須包括電子和邏輯，以警告或保護電池供電系統和電池包的操作員，通過附加的冷卻或加熱系統防止過充、過放電、過電流、電池短路和極端溫度。

③接口：BMS必須定期與使用電池包作為電源的應用通信，報告可用的能量和功率，以及電池包狀態的其他指標。此外，它必須在內存中記錄異常錯誤或濫用事件，以便技術人員通過偶爾的按需下載進行診斷。

④性能管理：BMS必須能夠估計充電狀態（SOC），是對電池包中的所有電芯進行估計，計算電池包的可用能量和功率限制，并均衡電池包中的電芯。

⑤診斷：最后BMS必須能夠估計健康狀態（SOH），包括檢測濫用，并且可能需要估計電芯和電池包的剩余使用壽命。

4、BMS結構

電池的最終物理結構決定實現電池管理系統的架構選擇，每一層將在BMS的功能中形成一個子集：

在層是電芯采集單元（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，并為層提供比CMU更高級別的功能。

層是電池包管理（PMU），功能為監控電池包并與應用之間進行通信，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。在最極端的情況下，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，這種拓撲結構提供了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的折衷。