汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的分析

電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem，BMS)隨著鋰電池在不同行業(yè)與產(chǎn)品中越來(lái)越多的應(yīng)用而成為熱點(diǎn)。這篇文章主要概述其在電動(dòng)汽車中應(yīng)用，主要介紹BMS的作用、架構(gòu)和設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)。

在中國(guó)電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)里頭，有一份正在報(bào)批的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》。這份標(biāo)準(zhǔn)之中定義了不少BMS的功能需求，分為一般要求和技術(shù)要求。一般要求包括電池?cái)?shù)據(jù)采集、信息傳遞和安全管理三部分的內(nèi)容，具體包括檢測(cè)電池與熱和電相關(guān)的數(shù)據(jù)(電壓、電流和溫度等參數(shù));荷電狀態(tài)(SOC)實(shí)時(shí)估算;對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，內(nèi)含故障處理機(jī)制;通過(guò)總線與車輛其他控制器實(shí)現(xiàn)信息交互;通過(guò)與充電設(shè)備的通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的控制和管理。技術(shù)要求包括絕緣電阻、絕緣耐壓性能、電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、SOC估算、電池故障診斷、安全保護(hù)，也定義了運(yùn)行條件包括過(guò)電壓運(yùn)行、欠電壓運(yùn)行、高溫運(yùn)行、低溫運(yùn)行、耐高溫性能、耐低溫性能、耐鹽霧性能、耐濕熱性能、耐振動(dòng)性能、耐電源極性反接性能和電磁輻射抗擾性等。

以上的標(biāo)準(zhǔn)定義，可能對(duì)BMS的概念會(huì)產(chǎn)生一些模糊，另外一種劃分可能更為精確一些：

1.監(jiān)測(cè)：BMS通過(guò)檢測(cè)電池組中的物理參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單體和電池組情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于一般電池組需要熱系統(tǒng)，所以流量作為一個(gè)重要參數(shù);荷電狀態(tài)(SOC)和電池健康狀態(tài)(SOH)從理論上應(yīng)該被放置在監(jiān)測(cè)的內(nèi)容之中，雖然想要得出兩個(gè)狀態(tài)都需要較多的數(shù)據(jù)和計(jì)算支持。

2.計(jì)算：真正的計(jì)算其實(shí)是在整車控制器下根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的狀態(tài)得出的電池使用限制。比如在不同的SOC下，電池的最大充電功率和放電功率的不同的限值。電動(dòng)汽車需要計(jì)算和統(tǒng)計(jì)電池的使用情況，需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以評(píng)估汽車電動(dòng)行駛里程和電池壽命情況。

3.通信：BMS內(nèi)部和外部都需要通過(guò)通信的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。以無(wú)線和有線的方式，將電池和車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，這是BMS的通信的基本要求。在電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域中，直流快速充電，車輛和電網(wǎng)電力交換(V2G)，以及車輛和住宅電力交換(V2H)，在這些未來(lái)的擴(kuò)展功能中，BMS的通信功能起到至關(guān)重要的功能。

4.保護(hù)：在這塊內(nèi)容之中，涵蓋故障診斷和處理兩方面內(nèi)容，包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、低溫、高溫和短路。這部分內(nèi)容已經(jīng)作為BMS部分基本的內(nèi)容，但是與電池單體的特性相關(guān)性非常大。在故障處理的時(shí)候，往往需要BMS能配置開(kāi)關(guān)和冷卻系統(tǒng)，不過(guò)重要的一點(diǎn)是平衡電池安全和車輛運(yùn)行安全之間。如果BMS突然去執(zhí)行部分操作而不考慮汽車安全的話，將會(huì)帶來(lái)非常糟糕的結(jié)果。

5.優(yōu)化：這項(xiàng)內(nèi)容涉及電池組的平衡、電池容量計(jì)算和其他壽命優(yōu)化。從汽車出廠開(kāi)始使用以后，隨著充電次數(shù)的增加和使用時(shí)間的延長(zhǎng)，通過(guò)一系列參數(shù)定時(shí)去分析電池的狀況變化是BMS的一個(gè)重要的工作。

當(dāng)然在BMS之中，可能由于整個(gè)電動(dòng)汽車的安全性要求，需要加入高壓互鎖、絕緣檢測(cè)或者其他功能，這部分都可以考慮為所有高壓相關(guān)部件所共有的安全特征，可以單獨(dú)羅列。4R.^*\9D&i3Z0?6H

典型的BMS系統(tǒng)，可以分為內(nèi)部架構(gòu)和外部架構(gòu)

內(nèi)可以分為：

1.信號(hào)調(diào)理部分：?jiǎn)误w電壓、模塊電壓、電池組電壓、電流和溫度傳感器、流量傳感器、絕緣檢測(cè)和其他信號(hào)的調(diào)理電路，通常分別位于子模塊和主模塊上。

2.控制驅(qū)動(dòng)部分：正級(jí)繼電器、負(fù)極繼電器、加熱裝置驅(qū)動(dòng)、散熱裝置驅(qū)動(dòng)和高壓互鎖等控制部分。

3.一般僅由主模塊進(jìn)行控制。

4.電源和時(shí)鐘部分：由于BMS存在高壓和12V低壓，首先需要注意隔離的問(wèn)題。

5.處理部分：這塊基本是控制策略和算法的工作。

7外可分為以下三部分內(nèi)容：

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1.機(jī)械連接：根據(jù)電池單體的數(shù)量和布置，BMS可以選擇分布式或者是集中式的。這里就會(huì)涉及到主模塊和子模塊的固定問(wèn)題。而整個(gè)電池包系統(tǒng)的機(jī)械連接問(wèn)題，往往也是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮，力和振動(dòng)方面分析，以及爬坡等質(zhì)量配置等也都是考慮涉及的問(wèn)題。

2.數(shù)據(jù)通信：這里是指實(shí)際的總線接口，一般以高速和低速的CAN為主。在未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，可能會(huì)配置電力線載波通信(PLC)等有線接口和Zigbee等無(wú)線接口;在國(guó)家電網(wǎng)設(shè)計(jì)的電池包內(nèi)還配置有GPS等電路模塊。'

3.物理連接：?jiǎn)误w電池正負(fù)極上的電壓、溫度測(cè)量傳感器和電流傳感器等都需要和BMS進(jìn)行直接的物理連接，這部分是看似簡(jiǎn)單但卻是充滿智慧的地方。

外部架構(gòu)是BMS與電池系統(tǒng)和其他部件一起工作的基石，馬虎不得。

由于要滿足傳統(tǒng)駕駛員的使用習(xí)慣，HEV、PHEV、EREV和EV都是按普通車的基本要求來(lái)設(shè)計(jì)的，使得改進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)和基本的駕駛情況都需要與原有的內(nèi)燃機(jī)汽車存在較大的相似性。以歐洲NEDC、ECE15、EUDC，美國(guó)FTP72、FTP75、SFTP、US06、SFTP、SC03和日本10-15Mode為藍(lán)本的駕駛工況，通過(guò)整車的情況，可以得到電池組的實(shí)際工作情況。在很多的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可以看到基于這樣的整車測(cè)試平臺(tái)所得到的數(shù)據(jù)，而B(niǎo)MS的實(shí)際工作環(huán)境就是建立在這些抽象出來(lái)的典型工況上面的。

電動(dòng)汽車區(qū)別于其他用電設(shè)備的一個(gè)很重要的因素，就在于它既需要較高的功率也需要很大的能量。高功率意味著大電流，意味著很難在低成本下精確測(cè)量電流，能量大意味著電池容量和數(shù)量的巨大，這兩者對(duì)于電池組的安全要求很高。一系列的因素組合之下，使得車用BMS涉及的東西較多，這里敘述的是個(gè)人的一些淺見(jiàn)，希望與大家共同探討這個(gè)領(lǐng)域。