鋰電池材料存在一定的特性，使其不能被過充、過放、過流、短路及超高低溫充放電，因此鋰電池組總會有一塊精致的BMS 相伴，BMS指的是Battery Management System 電池管理系統，也叫保護板。

一、BMS功能

首先，我們將詳述其四個主要功能。

（一）感知和測量測量即感知電池的狀態

這是BMS基本功能，包括一些指標參數的計量和計算，其中有電壓、電流、溫度、電量、SOC（state of charge）、SOH（state of health）、SOP（state of power）、SOE（state of energy）。

SOC可以通俗理解為電池還剩下多少電量，其數值在0-100%之間，這是BMS中最重要的參數；SOH指電池的健康狀態（或電池劣化程度），是當前電池的實際容量與額定容量的比值，當SOH低于80%時電池便不可用于動力環境。

（二）告警和保護

在電池出現異常狀態時，BMS可以向平臺進行告警并進行保護電池并采取相應的處理措施，同時，會將異常告警信息發送至監控管理平臺并生成不同等級的告警信息。

如，溫度過熱時，BMS會直接斷開充放電回路，進行過熱保護，并向后臺發出告警。

鋰電池主要會針對以下問題發出告警：

過充：單體過壓、總電壓過壓、充電過流；

過放：單體欠壓、總電壓欠壓、放電過流；

溫度：電芯溫度過高、環境溫度過高、MOS溫度過高、電芯溫度過低、環境溫度過低；

狀態：水浸、碰撞、倒置等。

（三）均衡管理

均衡管理的必要性來自于電池的生產和使用的不一致性。

從生產角度看，每塊電池都有自己的生命周期和特性，沒有一模一樣的兩塊電池，由于隔膜、陰極、陽極等材料的不一致，不同電池的容量也不能完全一致。如組成一個48V/20AH電池組的各電芯，其壓差、內阻等的一致性指標，均有一定范圍內的差異。

從使用角度來看，在電池充放電的過程中，電化學反應的過程中是永遠不可能一致的。即使是同一塊電池包，也會因為溫度、磕碰度不同造成電池充放量不同，從而導致電芯容量不一致。

因此，電池就需要均被動均衡和主動均衡。即設定一對啟動和結束均衡的閾值：比如，一組電池中，單體電壓極值與這組電壓平均值的差值達到50mV時啟動均衡，5mV結束均衡。

（四）通信和定位

BMS有單獨的通信模塊，作用分別是數據傳輸和電池定位，能夠將感知和測量到的相關數據實時傳遞到運營管理平臺。

二、BMS保護工作原理

BMS包括控制IC、MOS開關、保險絲Fuse、NTC熱敏電阻、TVS瞬態電壓抑制器、電容及存儲器等。其具體形式如圖所示：

上圖中，控制IC通過控制MOS開關實現電路的導通和關閉，以保護電路，FUSE在此基礎上實現二級保護；TH為溫度檢測，內部是一個10K NTC；NTC主要實現溫度檢測；TVS主要是抑制浪涌。

（一）一級保護電路

控制IC上圖的控制IC負責監測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOS的開關。控制IC具體可分為AFE和MCU：

AFE（Active Front End，模擬前端芯片）即電池的采樣芯片，主要用來采集電芯電壓、電流等。

MCU（(Microcontroller Unit，微控制器芯片）主要對AFE采集來的信息進行計算和控制。

二者的關系如圖所示：

1.AFE

AFE一般是6腳芯片，CO、DO、VDD、VSS、DP和VM，簡介如下：

CO：charge output（充電控制）；

DO：discharge output（放電控制）；

VDD：電源電壓，又叫輸出電壓，是電壓最高的地方；

VSS：基準電壓，是電壓最低的地方；

VM：監測MOS兩端的電壓值。

在BMS正常的情況下，CO、DO、VDD為高電平， VSS、VM為低電平，當VDD、VSS、VM任何一項參數變換時，CO或DO端的電平將發生變化。

2. MCU

MCU指的是微控制單元，又稱單片機，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優點。被廣泛應用于消費電子、汽車、工業、通信、計算、家電、醫療設備等領域。

在BMS中，MCU相當于大腦，通過其外圍設備從傳感器捕獲所有數據，并根據電池組的配置文件處理數據以做出適當的決策。

MCU芯片處理AFE芯片采集的信息，起到計算（比如SOC、SOP等）和控制（MOS關斷、導通等）的作用，因此電池管理系統對MCU芯片的性能要求較高。AFE和MCU通過控制MOS來實現對電路的保護。

3.MOS

MOS是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的縮寫，簡稱場效應管，在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷。

其導通阻抗很小，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。正常狀態下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。

4.BMS一級保護的實現：控制IC與MOS聯動

鋰電池如果過充、過放或過流，將會導致電池內部發生化學副反應,從而嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大，最后導致泄壓閥打開，電解液噴出發生熱失控。

在出現上述情況時，BMS將開啟保護機制，執行如下：

以上內容可以簡述為：

（二）二級保護電路：三端熔絲Fuse

出于安全性考慮，仍需增加二級保護機制。當前階段，REP（Resistor Embedded Protector，內置電阻保護器）的應用度較高，而三端熔絲Fuse相比之下性價比更高。

當電流過大時，Fuse和普通熔絲原理相同，會被熔斷；而MOS運行狀態異常時，主控控制三端熔絲將主動熔斷。

這款安全保護機制優點主要在功耗小、反應速度快、保護效果好，現階段應用性極高，已經在電動車、手機等設備上被廣泛使用。

（三）三級保護電路：NTC和TVS

1.NTC熱敏電阻

熱敏電阻，顧名思義其對熱度極度敏感，是可變電阻的一種，主要分為PTC和NTC兩種。

PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數熱敏電阻器），溫度越高，電阻越大，主要用于滅蚊器、暖風機之類產品。

NTC（Negative Temperature Coefficient，負溫度系數熱敏電阻器）與PTC相反，溫度越高電阻越低，主要用作電阻溫度傳感器和限流裝置。

鋰電池的BMS一般使用的是NTC，相較之下該產品耗電量較小，精準度高且反應迅速，主要有三大作用。

（1）溫度測量

利用該電阻的特性，可以測量以下三個溫度范疇：

電芯溫度：將NTC熱敏電阻放置在電芯之間，實現電芯溫度的測量，需要考慮每個NTC所覆蓋的電芯數量情況。

功率溫度：將NTC熱敏電阻放置在MOS之間，實現功率溫度的測量，需要在安裝時確保NTC要與MOS器件緊密接觸。

環境溫度：將NTC熱敏電阻放置在BMS板上，實現環境溫度的測量，要求安裝位置遠離功率器件。

（2）溫度補償

大部分元器件的電阻都會隨著溫度上升而增大，此時需要用NTC進行補償，抵消溫度造成的誤差情況。

（3）抑制浪涌電流

浪涌（electrical surge），也叫突波，即瞬間出現超出穩定值的峰值，包括浪涌電壓和浪涌電流。

電子電路在開機時會產生較大的浪涌電流，容易對元器件造成損壞，使用NTC可以防止這種情況的產生，保證電路正常工作。而對于浪涌的保護就需要用到TVS。

2.TVS瞬態電壓抑制器

TVS（Transient Voltage Suppressors）即瞬態電壓抑制器，它響應速度快，適合用于做端口防護功能。具體執行如下：

當電路出現異常高電壓時，TVS會迅速調整電阻狀態，將瞬時電流釋放到地，保護后級電路免遭損壞；異常電壓情況結束后，TVS會復原。

三、BMS關鍵器件的國產化

目前國內BMS生產制造過程中極度缺乏相關核心芯片的研究，尤其是AFE芯片。寧德時代董事長曾毓群曾表示，寧德時代在電池生產過程中沒有直接涉及美國的技術、材料或是設備，現在唯一依賴美國的就是BMS里的芯片。

（一）AFE模擬前端芯片

根據市場份額來看，僅AFE芯片的生產廠家來看，美國占據全球70%的市場份額，其中亞德諾半導體和德州儀器兩家就已經占據了60%左右，而國產芯片目前上升較快的廠商為中穎電子、芯海科技和思瑞浦。

（二）MCU芯片

針對MCU芯片來看，市場份額主要由歐美、日本和臺灣地區企業占據，僅NXP（荷蘭恩智浦）、Microchip（美國微芯科技）、ST（意法半導體）、infineon(德國英飛凌)就占據超80%的份額，中國大陸企業所占份額極小，僅兆易創新和極海半導體成長較快。

四、BMS問題及優化方向

BMS不只是BMS研發廠家的職責，它是一個系統工程，需要電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家，尤其是換電運營商的共同參與。

（一）換電運營商

BMS作為鋰電池的管理控制系統，實質是將基于用戶需求的運營經驗，進行細化、總結、固化到BMS中。而換電運營商其最接近用戶，最懂用戶的需求，因此，換電運營商是BMS的主導者。

（二）BMS廠家

BMS廠家最懂電子電路，它基于電芯性能，結合換電運營商需求，進行BMS架構搭建和開發，起著承上啟下的作用。但其弱點也非常突出，主要表現在對電芯的理解深度還不夠理想，導致管控策略和電芯實際存在差異。

（三）電芯廠家

電芯廠家最懂化學，這其實是整個BMS管控的基礎所在，因為BMS的一切管控都是基于電芯和電池組進行的。但目前，電芯廠家對電子電路的理解還需要提升，比如哪種信息采集方式可以采集到最準確的電芯信息。

（四）PACK廠家

PACK廠家是將電芯與BMS組裝成電池組，其對電芯的排列、BMS位置的擺放和組裝的加工工藝等都影響著BMS功能實現的程度和準確性。PACK廠家需要根據換電運營商的要求，從產品質量出發，以最后把關的視角對電芯和BMS廠家提出相關要求。

因此，BMS保護邏輯的設計是運營經驗的積累和固化，而保護邏輯的有效落地需要以電芯為基礎的電路設計以及產品性價比的提升。電芯廠家、BMS廠家、PACK廠家要在換電運營商的主導下，既做好本職專業，又做好相互協同，形成BMS產品系統集成的合力，而這將是今后BMS發展和問題解決的必由之路。