電池組製造流程系列：電池組 BMS 的核心功能、系統架構和硬體結構

動力電池組和儲能電池組通常包含數十個甚至數百個內部電芯。為了管理如此大量的電芯，電池管理系統（BMS）已成為不可或缺的關鍵技術。

可以說，BMS是電池組的「大腦」。其功能是確保人員和電池安全，滿足動力或儲能需求，並延長電池壽命。

01 BMS 的核心功能

BMS 的核心功能在於即時監控電池的電壓、溫度及電流，透過電荷狀態（SOC）估測與均衡控制來優化電池性能，同時也具備過電壓、過電流、過溫度保護等故障防護功能。

估算電池單元的狀態是 BMS 的核心功能。實現此功能需要類比前端 (AFE) 晶片（用於電壓採集）、霍爾感測器（用於電流採集）、NTC 感測器（用於溫度採集）以及其他感測器（用於採集氣體壓力、煙霧等）。

在採集到訊號後，將其與電化學模型和先進的估算演算法（例如擴展卡爾曼濾波器、滑動模式觀察器等）結合，以即時估算電池的充電狀態 (SOC)、健康狀態 (SOH)、功率狀態 (SOP)、能量狀態 (SOE) 和安全狀態 (SOS)。

基於這些狀態參數，

a) 對於電池組本身：

BMS 控制和管理電池的充放電功率優化，限制充電/放電時間，並透過控制指令、通訊和診斷功能進行互動，以實現對電池內部狀態的有效管理。

b) 對於外部系統：

BMS 透過通訊和診斷功能，向車輛和充電器傳播關鍵狀態資訊和控制指令，確保電池與外部系統之間的協調運作。

02 BMS 系統架構

（1）集中式與分散式架構

集中式 BMS 將電池監控單元 (CMC)、高壓監控單元 (HVMU) 和電池管理單元 (BMU) 這三個功能模組整合到單一電路板或整合控制器上，形成「單點控制」架構。

集中式 BMS 結構緊湊，線纜減少，佔用空間小，整體成本相對較低。然而，由於高壓和低壓模組位於同一電路板上，因此必須特別注意電氣隔離和安全間隙。

分散式 BMS 將採集功能委派給個別電池模組。多個從控單元 (CMC) 實現分散式採樣和初步數據處理，而主控單元 (BMU/BCU) 則負責系統級管理和調度，形成「多點採集、集中處理」的架構。這可以滿足大容量電池系統的需求，例如眾多採集通道和分散的模組佈局。

從上圖可以看出，所謂的分散式架構實際上在中間增加了一層管理子系統。這些小型系統主要負責收集部分電池單元的資訊，然後透過匯流排報告給 BMS 控制板。BMS 控制板隨後根據報告的資訊實施全面的保護措施、充電狀態計算和其他管理功能。

簡單來說，它類似於公司的組織結構。當人數增加時，扁平化管理在大規模電池管理系統中變得不可靠。因此，為了分擔核心管理板的負載，一些子任務被分配給 CSC 模組（Cell Supervision Circuits）進行特權管理。

分散式 BMS 可進一步細分為：星狀分散式、匯流排式分散式和鏈式分散式。

星狀分散式：BMU 位於中心位置，每個 CMC 透過獨立的通訊連結直接連接到 BMU。這種結構提供獨立的通訊連結，抗干擾能力強。然而，它需要匯流排集中模組，使得佈線和介面管理相對複雜。

匯流排式分散式：多個 CMC 透過 CAN 匯流排與 BMU 通訊（目前最廣泛使用的 BMS 通訊方式）。由於所有 CMC 共用匯流排，節點間的功耗相對均衡。然而，系統高度依賴匯流排的健康狀況；如果匯流排故障，整體通訊可能會中斷。

菊花鏈式分散式：多個 CMC 以鏈狀串聯連接，資料沿著連結逐跳傳輸到 BMU。這種結構提供了簡單的通訊連結，節省了佈線資源。它適用於模組眾多且電池結構分層明顯的系統。

（2）功能分層

為了確保模組化、可擴展性和高可靠性，BMS 通常可分為三個層級，如下圖所示。

a) 實體層：負責獲取電池運行期間直接可測量的外部狀態，例如電壓、電流、表面溫度等，為上層提供數據支援。

b) 核心層：負責透過模型和演算法估計電池內部無法直接測量的狀態，例如 SOC 和內部電池溫度。這是系統的關鍵部分。

c) 管理層：利用核心層提供的內部狀態資訊，實現電池充電/放電的合理管理以及預測未來的運行狀況，確保電池安全高效運行。

03 BMS 的硬體結構

BMS硬體架構是其系統功能的實體載體。硬體設計直接影響系統的準確性、可靠性和成本。典型的BMS硬體設計採用分散式架構，主要包括主控單元（BMU）、從屬控制單元（CSC）、感測器網路和致動/保護電路。

(1) 主控單元

主控MCU：支援ASIL-D功能安全等級的高效能處理器。

記憶體：Flash記憶體用於儲存參數配置和故障記錄；RAM用於即時資料緩衝。

隔離電源：透過DC/DC隔離模組為BMU供電（輸入電壓常為12V/24V，輸出為3.3V/5V）。

通訊介面：CAN收發器、乙太網路PHY晶片。

(2) 從屬控制單元

AFE晶片：用於監控串聯電池的專用類比前端晶片。

電壓採樣電路：多工器開關 + 精密ADC，採用差分採樣以降低雜訊。

溫度採集電路：NTC熱敏電阻 + 分壓電路，或數位溫度感測器。

均衡電路：被動均衡：MOSFET + 功率電阻；主動均衡：雙向DC/DC或電容陣列。

（3）感測器

霍爾感測器：非接觸式測量，精度±0.5%（用於總電流偵測）。

分流電阻：低成本電流偵測方案，搭配差動放大器可達±0.5%精度。

溫度感測器：NTC/PTC感測器放置於電芯表面、匯流排和散熱片等關鍵位置。

（4）驅動與保護電路

繼電器與預充電路：

主繼電器：用於控制電池組充電/放電電路的直流高壓繼電器。

預充電路：使用預充電電阻器 + 接觸器進行軟啟動，防止開機時的湧入電流。

保險絲與斷路器：

主保險絲：採用快熔斷型，用於短路故障保護。

二次保護：可復位保險絲 (PPTC)，用於防止局部過電流。