智能電池管理系統（BMS）
電池管理系統（BMS）是現代電池技術的關鍵組成部分，其主要作用是智慧化地管理並維護每個電池單元的狀態。BMS 可以即時監控並控制電池的充電與放電過程，有效防止過充或過放現象，從而延長電池壽命，並確保其安全性和穩定性。隨著電動車和可再生能源的蓬勃發展，BMS 已成為提升電池性能和可靠性的關鍵技術。在鋰離子（Li-Ion）電池已成為儲能應用主流的今天，BMS 的重要性愈加凸顯。
首圖 - 電池管理系統（BMS）核心控制器功能
通常，BMS 使用多種通訊協定來連接電池監測模組、堆疊控制器以及電源介面，支援 Modbus 和乙太網等協定。CAN（控制器區域網路）協定以其穩定性、即時性、容錯能力及抗噪性能，成為眾多儲能應用的首選通訊方式。在BMS中，CAN協定能夠有效地傳輸關鍵數據，確保系統的高效運行。
圖一 - BMS在風電儲能中的應用
BMS的核心應用領域
- 電動車應用
BMS 是電動車中的核心元件之一，在乘用車、商用車、卡車等各類電動車輛中扮演重要角色，還廣泛應用於電動機械，如電動叉車及高爾夫球車等。這些應用中的電池組通常透過 CAN 匯流排與電池控制模組進行通訊，確保電池的安全與高效運行。BMS 不僅確保了電動車電池的安全性，還提高了整車的能源效率和性能。 - 電網電力基礎設施
在電力基礎設施中，電池組為電網提供備用電源或作為防止功率波動的保障。BMS 應用於手機訊號塔、交流變電站、互聯網基礎設施設備、航空地面支援系統、通訊塔和氣象站等領域，並在分散式能源系統（如太陽能和風力發電廠）中扮演重要角色。BMS 有助於平衡電網負載，提升電力系統的穩定性和可靠性。
圖二 - BMS系統下的電動車電池結構
BMS 通訊協議及其應用
圖三 - BMS即時監控電動車的充電狀態
為確保電池管理系統能與車輛其他系統或儲能變流器（PCS）順利通訊，BMS 通常遵循以下標準化的高層通訊協定：
- ISO 11898-1:2015：這是 CAN 匯流排數據鏈結層和物理信令的國際標準，主要定義了 CAN 數據幀的結構，包括幀起始、幀結束及數據欄位。
- SAE J1939-21：該協定在汽車行業廣泛使用，規範了數據鏈結層參數，例如數據傳輸速率和框架格式。
- CAN 2.0B：CAN 匯流排的一個版本，支援 11 位標準幀和 29 位擴展幀，廣泛應用於 BMS 中的電池監測模組、堆疊控制器和電源介面之間的通訊。
- BMS-CAN協議：為電池管理系統量身定制的協定，定義了 BMS 與汽車 CAN 網路之間的通訊，包括數據格式、幀 ID 分配及訊息定義。
- 儲能變流器與 BMS 通訊協定：由中國化學與物理電源行業協會制定的標準，規範了 BMS 與 PCS 之間基於 CAN 的通訊層級要求。
這些協定確保了 BMS 可以有效監控與管理電池單元，並精確傳輸和接收數據，從而提升電動車和電力基礎設施的安全性和運行效率。遵循標準化協定，BMS 能夠與不同廠商的設備進行無縫通信。
CAN 匯流排在 BMS 中的應用
圖四 - BMS數據管理與網路連接
在 BMS 中，CAN 匯流排的應用涵蓋以下關鍵方面：
- 數據獲取與監控：CAN 匯流排能即時收集電池組的電壓、電流和溫度等參數，監控電池的狀態，包括荷電狀態（SOC）、健康狀態（SOH）和功率狀態（SOP）。
- 電池均衡管理：透過 CAN 匯流排，BMS 可以實現電池單元間的均衡控制，保持電池組一致性並提升整體性能。
- 故障診斷與警報：當檢測到過充、過放或溫度異常時，BMS 會通過 CAN 匯流排即時發送警報，通知系統採取措施。
- 控制命令傳遞：向執行機構（如接觸器和繼電器）發送控制命令，實現電池充放電管理。
- 系統整合與數據共享：CAN 匯流排作為車輛內部網路的一部分，使 BMS 與車輛的其他系統（如電機控制器、車載充電器）進行通訊整合。
- 標準化協定的應用：應用如 BMS-CAN 協定 V2 等標準化協定，提升了不同廠商 BMS 之間的互操作性。
- 數據格式的定義：包括總電壓、總電流、SOC、SOH 等數據參數的格式，並涵蓋充電/放電限制電流和電壓等信息格式的定義。
- 遠端數據請求：使用 CAN 的遠端幀功能進行遠端數據請求，增強了數據獲取的靈活性。
- 自動重發功能：在數據傳輸中出現錯誤時，自動重發功能確保數據的完整性和可靠性。
這些 CAN 匯流排的應用，大幅增強了電池組的安全性、可靠性，並延長了其使用壽命。CAN 匯流排已成為BMS中不可或缺的關鍵組件。
BMS 開發與測試的關鍵工具
圖五 - BMS在太陽能充電站中的應用
在 BMS 的開發和測試中，Kvaser 的 CAN 介面和數據記錄儀提供了強大支持。這些工具能以高效的方式測量、收集和傳輸 CAN 匯流排上的數據，支援 BMS 的監控、分析與決策。此外，Kvaser 工具還具有以下優勢：
- 提高效率：能夠早期檢測故障並進行預測分析。
- 降低維護成本：透過監控和自動化功能有效降低維護成本。
- 提升系統性能：支援多電池模組監控，有助於改善 BMS 系統的整體效能。
所有 CAN 介面和數據記錄儀均可應用於汽車和商用車，並支援多種行業協定，如 NMEA 2000®、J1939、CANopen 和 DeviceNet，滿足各行業的需求。使用專業的開發工具，能夠加速BMS的研發進程，提升產品競爭力。
