解決方案
詳解電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（附案例分析）
發(fā)布時(shí)間：
2016-03-28
由于汽車電氣化的水平發(fā)展，乘用車用電池管理系統(tǒng)，未來(lái)可以在低壓?jiǎn)?dòng)電池(12V&48V)和高壓HEV電池(1kwh~1.5kwh)和PHEV電池(4～18kwh)和BEV電池(20～85kwh)等電池系統(tǒng)里面看得到。低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)差異很大。電池系統(tǒng)差異在各個(gè)車廠和各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)之間都比較大，各個(gè)企業(yè)有自己的風(fēng)格，本文主要通過(guò)對(duì)不同廠家的產(chǎn)品做資料分析，根據(jù)各個(gè)車廠未來(lái)應(yīng)用的內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)按照目前的模塊化策略，來(lái)整合分析電池管理系統(tǒng)。應(yīng)該說(shuō)未來(lái)各家車廠設(shè)計(jì)理念的演變，使得高壓電池系統(tǒng)是有一定的相似性的，這里主要敘述高壓電池包里面的電池管理系統(tǒng)的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集中式管理系統(tǒng)案例分析、分布式管理案例分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮幾個(gè)部分。限于本人的水平和對(duì)案例的認(rèn)知有限，難免有些偏差或者錯(cuò)誤，在這里僅是拋磚引玉，請(qǐng)各位讀者海涵。
第一部分 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電池管理系統(tǒng)有三種不同的構(gòu)型，我們可以稱為集中式管理系統(tǒng)、半分布式管理系統(tǒng)和分布式管理系統(tǒng)。
1)集中式管理系統(tǒng)(大BMS方式)：這種管理架構(gòu)，是將所有的采集單體電壓&電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，由整車控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結(jié)構(gòu)，PHEV和EV典型的應(yīng)用如LEAF、Cmax等。這樣做的優(yōu)點(diǎn)，是相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，成本較低，由于采集備份在同一塊板上，之間的通信也簡(jiǎn)化了。缺點(diǎn)當(dāng)然是很明顯的，單體采樣的線束比較長(zhǎng)，導(dǎo)致采樣導(dǎo)線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，長(zhǎng)線和短線在均衡的時(shí)候?qū)е骂~外的電壓壓降；整個(gè)包的線束排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方?jīng)]法保證，只能適用于較小的電池包。
2)分布式管理系統(tǒng)(BMU+多個(gè)CSC方式)：這種是將電池模組(模組和CSC一配一的方式)的功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)形成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)、S-Box繼電器控制器和整車控制器，三層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形式。典型的應(yīng)用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優(yōu)點(diǎn)是可以將模組裝配過(guò)程簡(jiǎn)化，采樣線束固定起來(lái)相對(duì)容易，線束距離均勻，不存在壓降不一的問(wèn)題；如后面分析的那樣，當(dāng)電池包大了以后，這種模式就很有優(yōu)勢(shì)了。缺點(diǎn)是成本較高，如3所示，需要額外的MCU，獨(dú)立的CAN總線支持將各個(gè)模塊的信息整合發(fā)送給BMS，總線的電壓信息對(duì)齊設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。這種方案系統(tǒng)成本最高，但是移植起來(lái)最方便，屬于單價(jià)高開發(fā)成本低的典型，電池包可大可小。
3)半分布式管理系統(tǒng)(BMU+少量大CSC方式)：簡(jiǎn)單一些來(lái)說(shuō)，這就是兩種模式的妥協(xié)，主要用于模組排布比較奇特的包上，典型的應(yīng)用如Smart ED和Volt。這是一種是將電池管理的子單元做的大一些，采集較多的單體通道，這樣做的好處是整個(gè)系統(tǒng)的部件較少，但是需要注意的是這種方式優(yōu)勢(shì)不太明顯，主要是部件不少而且功能集中度也高一些，是三種方案里面成本較高的方案。
圖1 三種電池管理系統(tǒng)架構(gòu)
圖2 部分主流車輛的管理系統(tǒng)劃分
圖3 分布式和集中式架構(gòu)基本對(duì)比
可以說(shuō)，如果將整車控制和電池管理系統(tǒng)的放在一起來(lái)看的話，整個(gè)功能分配會(huì)更加完整一些。當(dāng)功能進(jìn)行劃分完畢之后，我們可以進(jìn)一步對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行硬件和軟件的定義。總的趨勢(shì)變化：
a)BMS+BMU 單元肯定會(huì)保留功能
· 單體相關(guān)的功能(電壓、溫度測(cè)量和備份、均衡)
· SOx的算法和功率限制
· 對(duì)VCU的通信
· 自身的診斷和少量的記錄
·絕緣檢測(cè)
b)可能轉(zhuǎn)移至配電盒轉(zhuǎn)移的功能
· 高壓測(cè)量
· 繼電器控制和診斷
· 電流測(cè)量
c)可能轉(zhuǎn)移至整車控制器的功能
· 充電控制
· 熱管理控制
典型的功能分配可以如下圖4所示。
圖4 三種模式的功能分配案例
第二部分 集中式LEAF管理系統(tǒng)案例分析
日產(chǎn)的工程師采取了傳統(tǒng)集中式的典型布置，這是技術(shù)演進(jìn)的結(jié)果(日產(chǎn)從上世紀(jì)90年代開始陸續(xù)測(cè)試試驗(yàn)車Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini)，更像是對(duì)原有的HEV電池包進(jìn)行優(yōu)化。在整個(gè)模塊里面，所有的模組都是由BMS直接采集并采用傳統(tǒng)的配電盒處理。
BMS功能：安裝在24個(gè)模塊的側(cè)邊，通過(guò)6個(gè)接插件來(lái)連接電池模組內(nèi)部，電池包配電盒還有車外的連接。
電池內(nèi)配電盒：這個(gè)配電盒類似于混動(dòng)配電盒，僅包含主正、主負(fù)、預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻。
電流傳感器：電流傳感器是獨(dú)立安裝的。
圖5 LEAF內(nèi)部模組連接示意圖
BMS的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，可以看出采集48個(gè)模塊的96個(gè)通道的單體電壓，所以整個(gè)采樣部分密密麻麻。這樣的設(shè)計(jì)，是很難實(shí)現(xiàn)較大電流的被動(dòng)均衡的算法，事實(shí)上，這里也沒(méi)有采取很大的電阻做法。
圖6 LEAF BMS控制器概覽
用了松下的繼電器，這塊由于松下長(zhǎng)期的技術(shù)演進(jìn)倒是沒(méi)有什么意外的，這里需要注意的是，配電盒有著很強(qiáng)的噪聲抑制的設(shè)計(jì)要求。
圖7 2011和2013的配電盒對(duì)比
總的來(lái)看，以LEAF為代表的集中式電池管理系統(tǒng)，在電池系統(tǒng)的使用中有著很多的應(yīng)用限制。
第三部分 分布式I3管理系統(tǒng)案例分析
典型的分布式架構(gòu)，我們可以拿寶馬的系統(tǒng)來(lái)看，這套系統(tǒng)從BMW與A123合作Active Hybrid(3，5，7)系列車型就開始用了，后續(xù)在I3和I8的電池系統(tǒng)的電子系統(tǒng)中沿用。如圖是在2015年上海車展的均勝電子的展臺(tái)上拍到的CSC和BMU的實(shí)物照片，CSC的芯片一面被遮住了。
CSC 功能：模組側(cè)邊安裝，實(shí)現(xiàn)了單體電壓采集、電壓備份的功能和溫度采集。主要的芯片為L(zhǎng)T6801和6802G-2，通過(guò)Freescale的單片機(jī)通過(guò)總線傳送出去了。
BMU 功能：這是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的MCU布置，在BMU里面實(shí)現(xiàn)了絕緣測(cè)量、HVIL的功能。
S-Box 功能：這里是實(shí)現(xiàn)了繼電器、預(yù)充電阻、電流測(cè)量等一體化的設(shè)計(jì)。
圖8 分布式架構(gòu)
由于CSC有足夠的空間來(lái)安置采集芯片、備份芯片、均衡電阻，所以即使系統(tǒng)在三防漆處理之后還可以實(shí)現(xiàn)56歐的均衡，散熱這塊的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單一些。
CSC的功能安全設(shè)計(jì)也做了精心的考慮，采用CAN信號(hào)的光耦耦合輸出；同時(shí)內(nèi)部采用運(yùn)放比較器比較MCU處理過(guò)充信號(hào)和備份芯片的方式來(lái)獨(dú)立發(fā)送過(guò)充等功能安全信號(hào)。側(cè)邊安裝的方式，使得各種長(zhǎng)方和正方的模塊設(shè)計(jì)顯得游刃有余，相比較而言，iMIEV和A3 PHEV的模組上方的設(shè)計(jì)對(duì)模組設(shè)計(jì)還是有一些限制的，如圖11所示。
圖9 2015年上海車展均勝電子展臺(tái)上的CSC模塊
圖10 車展上的BMU模塊照片
圖11 模組上方的CSC嵌入安裝方式
總的來(lái)看，電池系統(tǒng)模組化的趨勢(shì)比較明顯，分布式的CSC模塊直接安裝在模組上方，將電池采樣線設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
第四部分 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的考慮
1)BMS的壽命設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間分析
傳統(tǒng)的汽車，其實(shí)本質(zhì)上HEV的運(yùn)行機(jī)理和傳統(tǒng)汽車一樣，我們可以將時(shí)間劃分為：a)上車之前的時(shí)間：從芯片廠家出來(lái)運(yùn)輸?shù)絇CBA的組裝廠，成為部件產(chǎn)品，然后運(yùn)送至整車企業(yè)組裝廠待上車b)運(yùn)行時(shí)間，也就是開車的時(shí)間和c)非運(yùn)行時(shí)間。
我們就按照SAEJ1211里面的兩個(gè)例子Door Module 8000小時(shí)工作時(shí)間 79600非工作時(shí)間(Sleep模式)和變速箱控制器 (6000小時(shí)/125400小時(shí)=131400小時(shí))。對(duì)于BMS來(lái)說(shuō)，HEV的情況下，也是一樣的，工作時(shí)間最高不超過(guò)8000小時(shí)就夠了。充電的車輛呢，問(wèn)題來(lái)了，在引擎關(guān)閉的狀態(tài)下，還有個(gè)充電狀態(tài)。現(xiàn)在我們把估計(jì)重新調(diào)整一下，如果按照國(guó)外的壽命設(shè)計(jì)要求，15年的車輛預(yù)期壽命，可以初步估計(jì)為8000 小時(shí) 1.46小時(shí)每天的開車時(shí)間和10950～32850小時(shí) 2～6小時(shí)每天的充電時(shí)間。充電的時(shí)候，BMS部件都得工作啊，這個(gè)問(wèn)題就變成了，不僅僅是開的里程多用的時(shí)間長(zhǎng)的人對(duì)整個(gè)BMS系統(tǒng)的壽命形成重度的影響，充電慢的一樣。
那我們換一個(gè)角度來(lái)看，如果是在中國(guó)，一個(gè)客戶預(yù)期的壽命是8年，按照50KM的角度，一般需要配置12度電左右，我們?cè)俟浪阋幌率褂脮r(shí)間的分配。模式2 220V AC &8 A 輸入1.7KW 電池系統(tǒng)1.5KW 充電時(shí)間為8小時(shí)，模式3 220V AC&16 A
輸入3.3KW 電池系統(tǒng)3.0KW 充電時(shí)間為4小時(shí)=>5840 小時(shí) 2小時(shí)每天的開車時(shí)間+116800～23360小時(shí) 4～8小時(shí)每天的充電時(shí)間。
2)環(huán)境負(fù)荷分析
電池管理系統(tǒng)，由于有高壓部分和低壓部分，基本上原有電控單元需要做的12V的電氣試驗(yàn)和電氣要求都要有，又由于整個(gè)電池系統(tǒng)往底盤和車架上裝的趨勢(shì)很明顯，機(jī)械應(yīng)力設(shè)計(jì)要求也不低。環(huán)境這塊，同樣是安裝條件的事情，如果電池包設(shè)計(jì)的好一些，可能壓力小一些。
a)環(huán)境設(shè)計(jì)要求
要有防水功能，這不僅包含電池包IP等級(jí)由于密封膠老化，也是考慮內(nèi)部有凝露或者是內(nèi)部冷卻液泄漏造成，電池系統(tǒng)進(jìn)液體故障。考慮到中國(guó)的城市下水道問(wèn)題，這個(gè)事情要比國(guó)外大城市使用更苛刻。
要有防鹽霧和濕熱功能，電池系統(tǒng)由于帶鹽分的空氣濕熱交變的凝露，產(chǎn)生腐蝕或者絕緣下降等故障。
b)電特性要求：
所有的隔離電路部分的抗電強(qiáng)度大于2000V，絕緣電阻大于10MΩ， 爬電距離滿足IEC要求。
EMC見下表
滿足電故障要求，電源反接、防電源短路、防對(duì)地短路、防過(guò)壓和防引腳短路。
圖12 普通電控單元負(fù)荷要求標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)表
3)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
我對(duì)整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生疏一些。總的來(lái)看，BMS的核心價(jià)值不僅僅在相關(guān)算法上，離線的電池模型建立和電池壽命預(yù)測(cè)，也會(huì)對(duì)BMS內(nèi)部的軟件系統(tǒng)產(chǎn)生很深刻的影響。這塊限于篇幅，這里不展開了，以后有機(jī)會(huì)再一一介紹。
全文小結(jié)
1)本文還是對(duì)乘用車用BMS做一些闡述，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中整個(gè)設(shè)計(jì)是更嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的，這里更多的還是提一些概要。
2)電池管理系統(tǒng)的技術(shù)還是和電池模組設(shè)計(jì)和電池包的設(shè)計(jì)是強(qiáng)相關(guān)，目前處于演變快速階段，這些老的設(shè)計(jì)概念，也只能作為一個(gè)參考。(來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)）
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