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導(dǎo)讀: 在前幾天寫了篇整車控制器的功能文章(談?wù)務(wù)嚳刂破鞯墓δ?/a>)，今天來梳理一下電池管理系統(tǒng)。
圖1 電池管理的電氣架構(gòu) 整個電池管理系統(tǒng)主要由BMU、CMU、高壓控制器等組成。其中CMU主要負(fù)責(zé)電池模組中電芯電壓、溫度、電流的監(jiān)控，并通過CAN總線反饋給BMU，高壓控制器主要控制主負(fù)繼電器、高壓采樣等。 在不同的應(yīng)用中，可以將電池管理系統(tǒng)的形態(tài)分為集中式和分布式，集中式就是將電芯的電壓、溫度、電流采集，SOC計算、SOH監(jiān)控等功能集中到一個控制器中實現(xiàn)。這種方案具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點。主要用在容量低、電壓比較低的場景，比如電動摩托、電動自行車等，還有就是車用的12V鋰離子電池的BMS，如圖2為特斯拉的12V蓄電池的BMS。
圖2 特斯拉Model SPlain的12V鋰離子電池BMS 分布式的BMS架構(gòu)是現(xiàn)在新能源汽車常用的架構(gòu)，模組和電池包分級管理，更好的實現(xiàn)模塊化管理，比如車型不同的配置有不同的續(xù)航里程，只需要增加或刪減部分電池模組來實現(xiàn)，對整個電池管理系統(tǒng)影響不大。其中CMU主要負(fù)責(zé)電池模組中電芯電壓、溫度、電流的監(jiān)控、電芯的均衡；BMU負(fù)責(zé)SOC計算、SOH監(jiān)控、熱管理、故障診斷、對外通信等，高壓控制器主要控制主負(fù)繼電器、絕緣檢測、高壓采樣等。 1.電芯電壓、電流、溫度的監(jiān)控 電芯電壓、溫度和模組電流的通過高精度ADC芯片進(jìn)行采樣，這是最基本，也是最重要的基礎(chǔ)功能。同時對于溫度還會對電池冷卻液、模組溫度進(jìn)行采樣，這些參數(shù)通過CAN總線傳輸自BMU，為后續(xù)熱管理、SOC、SOH功能提供輸入。 2.SOC計算 SOC是State Of Charge的縮寫，表示當(dāng)前的動力電池的剩余容量。計算公式其實很簡單. SOC = (剩余電量/額定電量)*100%。 但是要實時精確計算動力電池包SOC，對算法的要求很高，當(dāng)前大多數(shù)SOC的計算中都采用安時積分，再加修正參數(shù)，修正參數(shù)主要是為了減小累計誤差和隨機(jī)誤差。當(dāng)前的國標(biāo)中規(guī)定誤差不能超過5%。 通常在不同的工況下，需要不同的修正參數(shù)，充電工況、靜態(tài)工況、動態(tài)工況等。 3.SOH計算 SOH是State Of Health的縮寫，表示電池的監(jiān)控狀態(tài)，評估電池弱化狀態(tài)，目前通常用容量衰減和直流內(nèi)阻來判定： 1、電池容量小于80%額定容量； 2、直流內(nèi)阻大于120%標(biāo)稱內(nèi)阻。 SOH的計算通常是根據(jù)前期開發(fā)過程中標(biāo)定的map，然后根據(jù)不同溫度、放電倍率、放電深度等變量進(jìn)行查map，然后加上權(quán)重，即計算電池的SOH。 4.SOP計算 SOP是State Of Power的縮寫，通過溫度和SOC查map得到當(dāng)前電池的可用充放電功率，BMU通過CAN總線將該參數(shù)發(fā)送給VCU，VCU在請求扭矩的時候，會考慮該參數(shù)，比如在達(dá)到截止電壓前進(jìn)行部分功率限制。 5.電池均衡控制 電池均衡是為了消除電芯在使用過程中產(chǎn)生的電芯不一致性。電池均衡技術(shù)包含主動均衡和被動均衡，主動均衡的原理是容量高的電芯通過電路給容量低的充電，使其達(dá)到一致，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 相對于主動均衡，被動均衡主要是通過電阻，來消耗高容量電芯的電量，來達(dá)到一致的。這種方式簡單可靠，也是目前主機(jī)廠常用的均衡技術(shù)。
圖3 均衡的原理 6.故障診斷 根據(jù)BMS不同的錯誤狀態(tài)采取不同的處理措施，比如限功率、斷開高壓、在儀表盤提示故障信息。除了這些動作之外，還會存儲故障碼以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，為后續(xù)問題分析提供故障時刻的數(shù)據(jù)。 除了上述的一些功能之外，還有充電管理、高低壓管理、喚醒換管理等功能。 以上是對梳理了BMS系統(tǒng)的功能，接下來看看各個主機(jī)廠的BMS系統(tǒng)，包括主控芯片、BMU和CMU的數(shù)據(jù)等。 1.奧迪e-tron的BMS系統(tǒng) 圖4是奧迪e-tron的BMS系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，它是由一個電池管理控制器(BMC)，12個電池模組控制器(CMC),電池接線盒(BJB)和電流電壓傳感器(CVS)組成。
圖4 奧迪e-tron的BMS系統(tǒng) BMC的主要芯片信號：主芯片為32bit的SPC5746，電源芯片為MCZ33905，CAN收發(fā)器為TJA1051。 BJB由Draxlmaier提供的，其中用于監(jiān)控隔離電壓的ADC信號為Microchip的兩個結(jié)合16/24位分辨的MCP391。主芯片為MPC5744P，電源芯片為MC33908。 CMC是由Marquardt提供的，MCU為SPC5602，電源監(jiān)控芯片為MC33771，供電和CAN收發(fā)器由NXP的UJA1164提供。 2.蔚來ES8的BMS系統(tǒng) 圖5為蔚來ES8的BMS系統(tǒng)，由一個BMU和16個CMU組成，其中BMU是由博世中國提供，CMU由CATL提供。
圖5 ES8的BMS系統(tǒng) BMU中除了采用了我們熟悉的英飛凌TC275作為主芯片，還引入了博世自己的ASIC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片0D273。CAN收發(fā)器方面采用的是一個TJA1145T和兩個TJA1044T。在高低壓隔離方面，BMU采用了一個四通道的數(shù)據(jù)隔離器，型號為ADUM5401W，同時該隔離器集成了DC/DC的功能，為高壓側(cè)的AD轉(zhuǎn)換器供電。 接線盒的繼電器是由ST的一個雙通道VND5050AJ，一個單通道VN5025AJ和一個四通道VNQ5050AK高邊驅(qū)動器驅(qū)動。 CMU采用的被動均衡，并且主控芯片為AD的LTC6811HG-2和NXP的S9S12G128F0MLH，主要用來電壓監(jiān)控和通信，同時采用的NXP的UJA1164TK作為高速CAN的收發(fā)器和為S12供電。高壓和低壓側(cè)由四通道Si8641BD進(jìn)行數(shù)字隔離，喚醒信號通過東芝的TLX9185A光耦合成器從低壓側(cè)傳輸至高壓側(cè)。CMU還采用了Ti的N74LV4051A-Q1，8通道多路復(fù)用器進(jìn)行溫度監(jiān)控。電池包中的16個CMU通過柔性印刷電路進(jìn)行連接，柔性電路上還包含2個溫度傳感器和熔斷器件。 3.特斯拉Model 3的BMS系統(tǒng) 從圖6可以看出Model 3的電池管理系統(tǒng)是1主4從的分布式架構(gòu)。相較于奧迪e-tron的1主12從或者蔚來的1主16從架構(gòu)，Model 3的架構(gòu)相對比較簡單。其中Master主要負(fù)責(zé)高壓采樣、電流檢測、高低邊驅(qū)動、絕緣檢測、高壓互鎖、繼電器控制、對外CAN通信等功能，Slave負(fù)責(zé)單體電壓檢測、溫度檢測等功能。
圖6 特斯拉Model 3的BMS系統(tǒng) Master有兩個微處理器，一個是德州儀器的TMS570LS0432，封裝為LQFP176，一個是飛思卡爾SPC5746CSMKU6，封裝為LQFP100。副MCU TMS570可檢測主MCU SPC5764工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)其失效可獲取控制權(quán)限。其二者在硬件上的功能分配從下面的局部硬件原理圖可以看出些分工，其中主MCU負(fù)責(zé)電流檢測、CAN通信，而高低邊驅(qū)動、HVIL檢測、Pyro fuse由副MCU負(fù)責(zé)，像高壓和絕緣檢測、CMC通信主副MCU都有備份。 每個Slave有菊花鏈接口，另外邊緣有27個觸點，其中24個用于電池電壓監(jiān)控，另外使用 37.4 Ω的電阻執(zhí)行被動電池均衡。4個Slave通過菊花鏈的形式連接起來， 隨著電池一致性的增強(qiáng)，以及AI、云計算、大數(shù)據(jù)的大力發(fā)展，BMS與云結(jié)合，以及無線BMS為后續(xù)BMS的發(fā)展趨勢。 無線BMS系統(tǒng)(如圖7所示)形成了一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得通信路徑更加多元，同時無線傳輸解決了汽車配線線束和連接器引起并長期存在的可靠性問題，并且系統(tǒng)魯棒性更好，無線傳輸減少了低壓線束和連接器，降低重量的同時也降低了成本，同時電池包結(jié)構(gòu)簡單，最后獨立性更強(qiáng)，留出的空間可以放進(jìn)更多的電池，也有利于電池梯次利用的靈活性。
圖7 無線BMS系統(tǒng) 云BMS是將數(shù)據(jù)上傳到云端，云端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并建立電池的故障模型、AI監(jiān)督模型等，可動態(tài)優(yōu)化SOC模型以及自動融合算法，實現(xiàn)在線健康度精確觀察，以及SOH的精準(zhǔn)評估，優(yōu)化BMS策略延長電池壽命。 |
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