储能 BMS 模块的系统构架及软硬件构成情况
思瀚产业研究院 高特电子    2025-11-22

电池管理系统是一种用于监控和管理电池的系统，具备电池参数监测、电池状态估算、控制充放电过程、保护电池安全等功能，确保电池的安全、稳定和高效运行。

根据国标《电力储能用电池管理系统》（GB/T 34131-2023），“电池管理系统应具有数据采集、通信、报警和保护、控制、状态估算、参数设置、数据存储、计算和统计等功能，宜具有显示功能，锂离子电池、钠离子电池和铅酸（炭）电池管理系统还应具有均衡和绝缘电阻检测功能。”

电池管理系统是保障储能、动力及备用电源等领域电池系统安全、效能及寿命的核心控制部件。其核心价值在于通过实时监测电池状态参数（如电压、温度、SOC/SOH）、执行动态均衡调节及实施多级故障保护（过充/过放/短路防护），抑制电池性能衰减，降低安全风险。

电池一致性体现为单体电池容量、内阻等参数的离散程度，而这种离散程度直接影响电池的寿命与安全性。受电芯制造工艺偏差、运行环境差异及充放电策略差异等因素影响，电池系统在使用一段时间后，电芯间的容量差异会逐步扩大，电池系统的短板效应将导致系统可用容量衰减、运行效率大幅下降。随着电池单体容量及系统规模扩大，电池离散性带来的影响将更加凸显，BMS 的精准监控与均衡调控能力成为保障电池系统可靠性的必要技术手段。

目前，新型储能行业以使用锂离子电池的电化学储能为主。按照电池材料不同，BMS 可分为锂电 BMS 与铅蓄电池 BMS。按照下游应用领域不同，锂电BMS 主要可分为储能锂电 BMS、动力锂电 BMS 和 3C 产品 BMS。此外，目前处于快速发展阶段的钠离子电池，也需要使用 BMS 进行电池管理。

（2）BMS 的技术发展阶段

随着电池技术迭代及下游应用场景拓展（如数据中心、新能源汽车、储能电站等），BMS 功能需求持续升级，技术演进可分为三个阶段：

1）被动监测阶段：早期采用基础保护板实现消费类电池的电压/温度监测与过充/过放保护，功能单一且无 SOX 估算和主动调控能力；

2）基础管理阶段：伴随动力电池及储能系统规模化应用，BMS 集成通信接口、被动均衡功能及 SOC 估算算法，适配复杂电池簇管理需求；

3）智能协同阶段：面向高电压、大容量应用场景，架构复杂，更高的均衡要求，更复杂、更高精度算法、热失控预警及云边数据交互功能，构建“感知-决策-控制”一体化管理架构。

（3）储能 BMS 的技术要求

储能系统具有直流侧电压高、功率大、电池数量多、环境恶劣、干扰严重、数据庞大、控制复杂等特点，因此储能 BMS 需要遵循更高的技术标准。

1）容量达 MWh 级、电压高、功率大、串并联电池数量多

储能系统中，有限空间内的电池组储能容量往往达数 MWh，变换功率为数百 kW 至数 MW，需要大量电芯串并联，并由多组电池簇并联成堆，同时需要多个控制单元的协调，系统拓扑、布线复杂。相对动力汽车等应用场景，储能系统具有直流侧电压高（高达 1,500V 以上）、功率大（数百千瓦或兆瓦）、电芯数量多、环境恶劣、干扰严重、数据庞大、控制复杂等特点。因此，对 BMS 电路原理和布局、布线设计，抗干扰电磁兼容设计，数据处理能力，响应速度等提出极高的要求。

2）深度充放电特性对电芯容量一致性要求更高，需要具备更强的均衡管理能力

由于储能系统深度充放电的特性，在充放电末期电池簇内的电芯容量一致性差异将对储能系统可用容量产生影响，降低储能系统的效率。为了保证系统内单体电芯性能的一致性，储能 BMS需具有很强的电池均衡管理能力。

3）快速响应、安全性、可靠性等要求更高

由于储能系统的复杂性，多种数据接口和大量数据接入，要求 BMS 具有复杂协议的处理能力和响应速度，对处理器、软件架构、代码质量提出较高的要求，如需满足 IEC61850 接入协议，具备数据保存和故障追溯、系统冗余等功能。

此外，储能系统直接关乎其接入的电力系统能否平稳运行，对其安全性、可靠性的要求极高，使用寿命要求更长（通常需满足运行 10 年以上）。因此，储能 BMS 也需具备更高的可靠性、系统容错和保护能力。

4）涉及各种复杂环境、并协同接入电网、消防、空调等多种设备

受使用场地影响，储能 BMS 会涉及到各种复杂的环境，如高温沙漠、高海拔、高电磁干扰、高湿度和腐蚀性的海洋平台等环境，要求储能 BMS 硬件需对环境具备极高的防护等级，软件需嵌入环境自适应算法，如低温预热策略、数据冗错等。

在储能系统中，储能 BMS 需与 EMS 协同优化调度策略，与 PCS 实现功率闭环控制，并联动消防系统、热管理系统实现多级安全防护。因此，储能 BMS需具备开放性和扩展性，以适配不同厂商设备接入和技术迭代。

综上，储能 BMS 因涉及储能系统的复杂性、安全性、可靠性及电网相关技术，相比动力 BMS 具有更高的技术要求。

（4）储能 BMS 的主要功能

储能 BMS 是储能系统的核心控制部件，承担电池数据实时采集、状态诊断及安全防护的核心职能，其功能实现直接影响储能系统的运行效率、循环寿命及安全性、可靠性。储能 BMS 通过高精度参数监测（电压、温度）、电池状态算法（SOC/SOH）、数据交互、动态均衡控制及多级故障保护（过充/过放/短路防护），构建覆盖电池状态监测、估算、能量优化调度、热失控预警、保护的全生命周期管理。

（5）储能 BMS 的系统架构

储能电池系统采用“电芯-模组-簇-堆”四级物理架构。电芯级，即单体电芯，作为最小储能单元，其性能直接影响系统性能；模组级由多电芯串并联组成，需通过 BMS 实现单体电压/温度采集与均衡控制；多个模组串联构成电池簇，需通过 BMS 对簇内电芯进行状态估算、均衡管理和簇安全保护；多簇并联构成电池堆，需 BMS 协同系统中其它设备单元实现能量调度和安全管理。

与储能电池系统的整体架构相对应，储能 BMS 一般分为电池管理模块（从控模块）、电池簇控制管理模块（主控模块）、电池堆控制管理主机（显控模块）三级控制体系，实现“数据采集-逻辑控制-系统联动”的闭环管理。

（6）储能 BMS 模块的软硬件构成情况

储能 BMS 模块是电池管理系统的核心部件，一般由硬件电路、底层软件和应用层软件构成。硬件电路主要部件包括 PCB、IC 芯片、分立器件等。其中，PCB 作为电子元器件载体，实现 IC 芯片、分立器件的电气连接与信号传输；IC 芯片组主要包括 MCU 主控芯片、高精度采集芯片、隔离芯片、主动均衡芯片及通信芯片，负责数据采集、逻辑运算与指令执行；分立器件主要涵盖 MOS 管、电容、电阻、光耦隔离器等，承担电源管理、信号调理及电路保护功能。

底层软件通过将运行代码烧录在芯片中，与硬件电路协同工作，实现对芯片驱动，数据采集和处理，直接与硬件交互，负责硬件资源的调度和管理，为应用软件提供基础运行环境。

应用软件则基于底层软件提供的环境，结合产品及场景需求，实现具体的电池管理功能，通常包括算法模块、控制策略和数据管理模块：

1）算法模块依据底层软件采集的电芯电压、温度、电流等数据，通过特定算法来实现单体电池和电池系统的均衡控制、状态诊断和安全防护；

2）控制策略以保障电池安全、寿命与性能为核心，通过实时监测单体电压、温度，估算电池 SOC/SOH，实施多级保护（过充/过放/过温/过流），动态均衡电池簇内电芯差异（主动/被动均衡），优化充放电曲线，协同热管理系统调节电池运行温度，与上层设备通信，执行指令，实现高效充放电与故障预警，确保储能系统在安全区域内可靠、稳定运行，延长电池寿命；

3）数据管理模块实现运行数据本地存储、导出、分析、升级等。

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