1.前言
本文章是基于曾师兄的文稿《具有组网扩展功能的新能源汽车电池管理系统》而写的文章。该文章主要是对BMS（Battery Management System，电池管理系统）做一些简要的介绍，借此助各位也助我入门BMS。
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2.为什么需要BMS？
在解决问题时，我最喜欢用的思路是，为什么->是什么->怎么做。
具体在本文章，我们需要解决的第一个问题是，为什么需要BMS？直接用个超大号的电池，或者把电池芯串联起来，不经过管理系统，直接给用电设备用，存在哪些问题？
文献[1]指出，锂离子电池以其输出电压高、循环寿命长、能量密度大、自放电率低、工作温度范围广等优点广泛应用于消费电子、电动汽车等领域。但同时，单个锂离子电池也存在安全和可靠性方面的问题，体现在：
1)能量大、电压高、且电解液大多为有机易燃物，应用不当时可能导致电池温度升高、着火甚至爆炸；
2)过充电、过放电会导致电池内部材料特性发生变化，造成不可逆的容量损失，从而导致性能下降，寿命缩短。过放电还会使电池内部的锂离子金属化，以致引起短路甚至爆炸；
3)由于工艺的差异性，电池内阻往往不一致，随着充放电的循环进行，电池组内单体电池的性能失衡，使电池组的寿命缩短。
ChatGPT对于为什么需要BMS的回复如下：
首先，没有BMS的电池使用过程中，如果电压、温度等参数不受到监测和控制，容易导致电池过充、过放、过热等情况，从而增加了电池发生安全事故的风险；其次，由于每个电池芯的性能和寿命都不同，使用时间不同步，因此在串联的过程中，电池芯之间需要进行均衡充电，否则会导致电池寿命缩短，影响整个电池组的性能和寿命；再者，准确地估算电池电量可以帮助我们及时安排充电或更换电池，保证设备正常运行，也避免过度充电或者过度放电的情况。
我个人对于为什么需要BMS的总结如下：
①锂电池能量高电压大存在诸多危险
②电池的过充或过放会导致性能下降
③单体电池各项参数存在差异，随着充放电循环，有些老得快，有些更持久
④估算电量，避免过充过放来保护电池，帮助安排充电或更换电池
解决了为什么需要BMS的问题，接下来要回答的问题是，BMS是什么，有哪些功能？
3.BMS是什么，有哪些功能？
BMS电池管理系统作为电动汽车能量的控制核心，有关IEC和QC / T897-2011对BMS都制
定相关标准功能要求。
IEC 制定BMS功能标准包含：电池数据采集、SOC 估算、电池循环寿命、告警保护。QC / T 897-2011对 BMS 功能标准包含：电池单体电压采集、电池温度采集、剩余电量估算、安全预警和控制、信息处理、信息交互。综合以上标准和实际汽车要求，电动汽车BMS 必须具备的基本功能：均衡管理功能、热管理功能、CMU通讯功能、SOC 估算、寿命估算、电池信息监控、充电和放电过程控制、数据显示和备份。
前面已经介绍了为什么需要BMS，再跟读者说BMS有以上这些功能，大家可能印象就深刻些。那么需求和方案就对应如下：
其一，锂电池温度高时会爆炸，那么BMS就需要有一个信息采集系统来监测当前电池信息，如电流、电压、温度等，当存在异常参数时，需要对做出相应的操作，如过压、欠压保护，关闭电源，降温等等。
其二，电池的过充或过放会导致电池性能下降，那么BMS就需要估算电池电量SOC（State of Charge，充电状态，取值通常是0%~100%），将采集到的电池数据提供给主控芯片，它根据算法来估算动力电池组剩余电量SOC，提供续驶里程参考。常用
电流积分法、开路电压法、卡尔曼滤波等及其组合来估算。
其三，
锂电池的实际容量会受到环境温度、放电电流（放电倍率）、自放电及电池老化等因素的影响。那么此时就需要监测电池的健康程度SOH（State of Health）,SOH表征电池相对于新电池存储电能和能量的能力，是定量描述电池性能状态的指标。随着充放电的进行，SOH呈不断下降趋势。估算SOH需要通过长期监测和统计电池的使用情况、充放电特性以及温度等参数来进行评估。在实际应用中，通常采用多种算法来进行估算，如Kalman滤波算法、移动平均法等。
其四，单体电池各项参数存在差异，如电阻、容量、自放电等不同，对应到实际中就是电池充放电发热不一样，长时间不用剩余电量不同，有些可以用很久有些是弱鸡。那么BMS就需要做到均衡控制。
其五，需要把电池各项参数信息采集到，交给主控处理，那么这里就需要数据采集、传输、处理、显示，及最重要的控制。
几十块的小电扇，算不上BMS？我拆开了我的小电扇，里面的功能非常简单，一个18650电池和控制板。
在控制板的电容下面的芯片是一块TP4056芯片（立创商城单个近0.1元）。其功能如下：
TP4056 由于采用了内部PMOSFET 架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。 热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度 加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10 时，TP4056 将自动终止充电循环。
TP4056 当输入电压（交流适配器或USB 电源）被拿掉时，TP4056 自动进入一个低电流状 态，将电池漏电流降至2uA 以下。TP4056 在有电源时也可置于停机模式，以而将供电电流降至55uA。TP4056 的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动在充电和两个用于指示充电、结束的LED 状态引脚。
对于前面提及的电池存在的问题，这款芯片可以解决过充过放、欠压保护及温度检测。但是没有解决电量估算SOC，健康检测SOH等问题。
输入过压、欠压保护
输出过流、短路保护
电池过充、过放、过流保护
IC 过温保护
充电电池温度 NTC 保护
IP2368 是一款集成 AFC/FCP/PD2.0/PD3.0 等输入输出快充协议和同步升降压转换器的锂电池充放电管理芯片； IP2368 的高集成度与丰富功能，只需一个电感实现同步降升压功能，在应用时仅需极少的外围器件，有效减小整体方案的尺寸，降低 BOM 成本。 IP2368 支持 2/3/4/5/6 节串联电芯，可通过外接电阻选择电池串联节数；IP2368 支持外接电阻选择普通锂电池还是磷酸铁锂电池，外接电阻可设置充满电压，锂电池充满电压可设置为：4.15V/4.2V/4.3V/4.35V/4.4V，磷酸铁锂电池充满电压可设置为：3.5V/3.55V/3.6V/3.65V/3.7V。 IP2368 的同步开关充放电系统，提供高达 100W 的充放电功率，可通过外接电阻设置最大充放电功率。IP2368内置IC 温度、电池NTC 温度和输入电压控制检测环路，可以根据不同功率充电器，智能调节充电电流。 IP2368 内置 14bit ADC，可以精确测量充电输入电压和电流，电池电压和电流。IP2368 内置电量计算法，可通过 IIC 获取电池电量、充电电压、充电电流等信息。 IP2368 支持 4 个电量指示灯，定制可支持 188 数码管。
对于前面提及的电池存在的问题，这款芯片可以解决电池信息采集（电压、电流、温度），还有通过4个灯指示当前电量，也可以用188数码管显示当前剩余的百分比电量（我推测应该是通过电压估计电量），过充过放、过压欠压保护、过温保护。IP2368明显比TP4056高级很多。但是当汽车级电池需要几百几千个电池时，IP2368明显不够用，无法解决电池均衡管理。
更高级的BMS芯片目前国产还比较低，因本文章只是入门作用，在此不提，以后可能会涉及（给自己挖个坑）。
明白了BMS是什么，有什么用，最重要的是解决如何做的问题。
4.如何实现一个像IP2368的简单BMS
回答这个问题之前，需要了解BMS的层次结构：
集成型的BMS，可以在电池模块（电池包）里数据就近采集，对模块进行监测、分析、管理、保护，最后将各个模块的数据传送到主控模块进行数据处理。
在这里，为了完成像IP2368功能的BMS子模块，需要对模块进行监测、分析、管理、保护。
其一，信息采集方面，电压、电流、温度，基本上都可以通过AD（Analog to Digital）的方式直接或间接得到，电流通过得到，温度可以通过一个NTC电阻（Negative Temperature Coefficient，负温度系数）反映为测量到的电压再对应当前温度。电压采集可以用亚德诺半导体的AFE采样芯片，可以覆盖12颗电芯电压的精确测量和均衡控制。
其二，信息传输方面，如果是小项目，距离短且干扰不强，可考虑直接用串口，如果距离远则需要用CAN总线，CAN总线是一种高性能、低成本的分布式总线标准，主要应用于汽车、工业等领域。现今还提出了一种无线BMS的方案。不需布线，节省空间，便于安装维护，可拓展性强。但是工业技术和市场一般惯性比较强，所以无线BMS目前也只处于验证及推广阶段。
其三，剩余电量估算方面，目前比较常见的有OCV-SOC法，随着电池的电量越放越少，电池的开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）也会越来越低 ，OCV-SOC模型通常采用数学模型，如二次函数模型或分段线性模型等，来描述OCV与SOC之间的非线性关系。其基本原理是通过测量电池在不同SOC下的OCV，并将其与实际充放电数据进行比对，进而拟合出一个最优的模型参数，以实现较为精确的SOC估计。
不过，OCV法还会受到多种因素的影响，因此电池电量SOC的估算实际上更为复杂。
测量电压需要非常高的精度，车用BMS的精度达到了0.03%（普通万用表精度1%），可选用专用AD采样芯片，如亚德诺的AD芯片，AD6815。此外，这颗芯片还有电池均衡的功能。
ADBMS6815是一款多单元电池堆监控器，可测量多达12个串联电池单元，总测量误差(TME)小于1.5 mV。ADBMS6815具有0 V至5 V的电池测量范围，适合大多数电池化学应用。可在304 μs内测量所有12个电池单元，并选择较低的数据采集速率以便降噪。
其四，电池健康状态SOH的估算，
SOH等于当前电池容量与出厂电池容量的比值。SOH与RUL相互关联，故此处用RUL来表征。
其五，如已经采集到信息并分析当前电池状态，就要对电池进行管理了：
BMS可以根据电池的特性和工作负载需求，对电池的充放电进行精细控制，避免过充、过放和过流等情况的出现，从而保证电池的安全和稳定性。
通过温度传感器监测电池的温度，对电池进行智能温控管理。当电池温度过高时，BMS会自动降低电池的充电速度或停止充电，防止电池过热导致安全问题。
通过检测电池的异常状态，如过充、过放、短路等，自动启动保护机制，避免电池出现故障或安全问题。同时，BMS还可以记录电池的异常事件和故障信息，便于后期分析和排查。
至此，IP2368的功能（信息采集、电量指示、过充过放、欠压过压、过温保护）在前面五点都已提及，算是实现一个像IP2368的简单BMS。
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另外吐槽一下，CSDN的排版是真的拉跨！
参考文献/视频
[1]刘大同,周建宝,郭力萌,等. 锂离子电池健康评估和寿命预测综述[J]. 仪器仪表学报,2015,36(1):1-16.
[2]
电动车快充，到底会不会伤害电池？
[3]
电动爹的续航，原来全靠猜？BMS如何让你的电池，续航更多一点？