詳解電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統

　　由于汽車(chē)電氣化的水平發(fā)展，乘用車(chē)用電池管理系統，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)等電池系統里面看得到。低壓系統和高壓系統差異很大。電池系統差異在各個(gè)車(chē)廠(chǎng)和各個(gè)應用平臺之間都比較大，各個(gè)企業(yè)有自己的風(fēng)格，本文主要通過(guò)對不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品做資料分析，根據各個(gè)車(chē)廠(chǎng)未來(lái)應用的內部的電池管理系統按照目前的模塊化策略，來(lái)整合分析電池管理系統。應該說(shuō)未來(lái)各家車(chē)廠(chǎng)設計理念的演變，使得高壓電池系統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的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統結構、集中式管理系統案例分析、分布式管理案例分析和產(chǎn)品設計的幾點(diǎn)考慮幾個(gè)部分。限于本人的水平和對案例的認知有限，難免有些偏差或者錯誤，在這里僅是拋磚引玉，請各位讀者海涵。

　　第一部分 電池管理系統結構

　　電池管理系統有三種不同的構型，我們可以稱(chēng)為集中式管理系統、半分布式管理系統和分布式管理系統。

　　1)集中式管理系統(大BMS方式)：這種管理架構，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(chē)控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結構，PHEV和EV典型的應用如LEAF、Cmax等。這樣做的優(yōu)點(diǎn)，是相對而言比較簡(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)當然是很明顯的，單體采樣的線(xiàn)束比較長(cháng)，導致采樣導線(xiàn)的設計較為復雜，長(cháng)線(xiàn)和短線(xiàn)在均衡的時(shí)候導致額外的電壓壓降;整個(gè)包的線(xiàn)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(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)的功能獨立分離，整個(gè)系統形成了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(chē)控制器，三層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )的形式。典型的應用如德系的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(xiàn)束固定起來(lái)相對容易，線(xiàn)束距離均勻，不存在壓降不一的問(wèn)題;如后面分析的那樣，當電池包大了以后，這種模式就很有優(yōu)勢了。缺點(diǎn)是成本較高，如3所示，需要額外的MCU，獨立的CAN總線(xiàn)支持將各個(gè)模塊的信息整合發(fā)送給BMS，總線(xiàn)的電壓信息對齊設計也相對復雜。這種方案系統成本最高，但是移植起來(lái)最方便，屬于單價(jià)高開(kāi)發(fā)成本低的典型，電池包可大可小。

　　3)半分布式管理系統(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)系統的部件較少，但是需要注意的是這種方式優(yōu)勢不太明顯，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 三種電池管理系統架構

　　圖2 部分主流車(chē)輛的管理系統劃分

　　圖3 分布式和集中式架構基本對比

　　可以說(shuō)，如果將整車(chē)控制和電池管理系統的放在一起來(lái)看的話(huà)，整個(gè)功能分配會(huì )更加完整一些。當功能進(jìn)行劃分完畢之后，我們可以進(jìn)一步對各個(gè)部件進(jìn)行硬件和軟件的定義?？偟内厔葑兓?/p>

　　a)BMS+BMU 單元肯定會(huì )保留功能

　　· 單體相關(guān)的功能(電壓、溫度測量和備份、均衡)

　　· SOx的算法和功率限制

　　· 對VCU的通信

　　· 自身的診斷和少量的記錄

　　·絕緣檢測

　　b)可能轉移至配電盒轉移的功能

　　· 高壓測量

　　· 繼電器控制和診斷

　　· 電流測量

　　c)可能轉移至整車(chē)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管理系統案例分析

　　日產(chǎn)的工程師采取了傳統集中式的典型布置，這是技術(shù)演進(jìn)的結果(日產(chǎn)從上世紀90年代開(kāi)始陸續測試試驗車(chē)Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini)，更像是對原有的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的配電盒處理。

　　BMS功能：安裝在24個(gè)模塊的側邊，通過(guò)6個(gè)接插件來(lái)連接電池模組內部，電池包配電盒還有車(chē)外的連接。

　　電池內配電盒：這個(gè)配電盒類(lèi)似于混動(dòng)配電盒，僅包含主正、主負、預充繼電器和預充電阻。

　　電流傳感器：電流傳感器是獨立安裝的。

　　圖5 LEAF內部模組連接示意圖

　　BMS的電路結構如下圖所示，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。這樣的設計，是很難實(shí)現較大電流的被動(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(cháng)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(zhù)很強的噪聲抑制的設計要求。

　　圖7 2011和2013的配電盒對比

　　總的來(lái)看，以L(fǎng)EAF為代表的集中式電池管理系統，在電池系統的使用中有著(zhù)很多的應用限制。

　　第三部分 分布式I3管理系統案例分析

　　典型的分布式架構，我們可以拿寶馬的系統來(lái)看，這套系統從BMW與A123合作Active Hybrid(3，5，7)系列車(chē)型就開(kāi)始用了，后續在I3和I8的電池系統的電子系統中沿用。如圖是在2015年上海車(chē)展的均勝電子的展臺上拍到的CSC和BMU的實(shí)物照片，CSC的芯片一面被遮住了。

　　CSC 功能：模組側邊安裝，實(shí)現了單體電壓采集、電壓備份的功能和溫度采集。主要的芯片為L(cháng)T6801和6802G-2，通過(guò)Freescale的單片機通過(guò)總線(xiàn)傳送出去了。

　　BMU 功能：這是非對稱(chēng)結構的MCU布置，在BMU里面實(shí)現了絕緣測量、HVIL的功能。

　　S-Box 功能：這里是實(shí)現了繼電器、預充電阻、電流測量等一體化的設計。

　　圖8 分布式架構

　　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，所以即使系統在三防漆處理之后還可以實(shí)現56歐的均衡，散熱這塊的設計相對簡(jiǎn)單一些。

　　CSC的功能安全設計也做了精心的考慮，采用CAN信號的光耦耦合輸出;同時(shí)內部采用運放比較器比較MCU處理過(guò)充信號和備份芯片的方式來(lái)獨立發(fā)送過(guò)充等功能安全信號。側邊安裝的方式，使得各種長(cháng)方和正方的模塊設計顯得游刃有余，相比較而言，iMIEV和A3 PHEV的模組上方的設計對模組設計還是有一些限制的，如圖11所示。

　　圖9 2015年上海車(chē)展均勝電子展臺上的CSC模塊

　　圖10 車(chē)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，電池系統模組化的趨勢比較明顯，分布式的CSC模塊直接安裝在模組上方，將電池采樣線(xiàn)設計進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

　　第四部分 產(chǎn)品設計中的考慮

　　1)BMS的壽命設計對應的工作時(shí)間分析

　　傳統的汽車(chē)，其實(shí)本質(zhì)上HEV的運行機理和傳統汽車(chē)一樣，我們可以將時(shí)間劃分為：a)上車(chē)之前的時(shí)間：從芯片廠(chǎng)家出來(lái)運輸到PCBA的組裝廠(chǎng)，成為部件產(chǎn)品，然后運送至整車(chē)企業(yè)組裝廠(chǎng)待上車(chē)b)運行時(shí)間，也就是開(kāi)車(chē)的時(shí)間和c)非運行時(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(chē)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)?，F在我們把估計重新調整一下，如果按照國外的壽命設計要求，15年的車(chē)輛預期壽命，可以初步估計為8000 小時(shí) 1.46小時(shí)每天的開(kāi)車(chē)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(kāi)的里程多用的時(shí)間長(cháng)的人對整個(gè)BMS系統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，一個(gè)客戶(hù)預期的壽命是8年，按照50KM的角度，一般需要配置12度電左右，我們再估算一下使用時(shí)間的分配。模式2 220V AC &8 A 輸入1.7KW 電池系統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3.0KW 充電時(shí)間為4小時(shí)=>5840 小時(shí) 2小時(shí)每天的開(kāi)車(chē)時(shí)間+116800～23360小時(shí) 4～8小時(shí)每天的充電時(shí)間。

　　2)環(huán)境負荷分析

　　電池管理系統，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的電氣試驗和電氣要求都要有，又由于整個(gè)電池系統往底盤(pán)和車(chē)架上裝的趨勢很明顯，機械應力設計要求也不低。環(huán)境這塊，同樣是安裝條件的事情，如果電池包設計的好一些，可能壓力小一些。

　　a)環(huán)境設計要求

　　要有防水功能，這不僅包含電池包IP等級由于密封膠老化，也是考慮內部有凝露或者是內部冷卻液泄漏造成，電池系統進(jìn)液體故障?？紤]到中國的城市下水道問(wèn)題，這個(gè)事情要比國外大城市使用更苛刻。

　　要有防鹽霧和濕熱功能，電池系統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度大于2000V，絕緣電阻大于10MΩ， 爬電距離滿(mǎn)足IEC要求。

　　EMC見(jiàn)下表

　　滿(mǎn)足電故障要求，電源反接、防電源短路、防對地短路、防過(guò)壓和防引腳短路。

　　圖12 普通電控單元負荷要求標準對應表

　　3)軟件系統設計

　　我對整個(gè)軟件系統的設計生疏一些?？偟膩?lái)看，BMS的核心價(jià)值不僅僅在相關(guān)算法上，離線(xiàn)的電池模型建立和電池壽命預測，也會(huì )對BMS內部的軟件系統產(chǎn)生很深刻的影響。這塊限于篇幅，這里不展開(kāi)了，以后有機會(huì )再一一介紹。

　　全文小結

　　1)本文還是對乘用車(chē)用BMS做一些闡述，實(shí)際產(chǎn)品設計中整個(gè)設計是更嚴謹和細致的，這里更多的還是提一些概要。

　　2)電池管理系統的技術(shù)還是和電池模組設計和電池包的設計是強相關(guān)，目前處于演變快速階段，這些老的設計概念，也只能作為一個(gè)參考。