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在政府要強制實(shí)行油耗和新能源汽車(chē)積分并行管理的大背景下，大量車(chē)企都推出了新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)上市計劃，并且要持續上量。為了滿(mǎn)足這一系列的計劃，在PHEV(含EREV)、EV這幾個(gè)領(lǐng)域里面，汽車(chē)企業(yè)需要用不同的新能源車(chē)輛組合去合乎政策規范、順應市場(chǎng)需求并迎合消費者，這就需要對車(chē)型的核心指標(續航里程、百公里加速和充電速度)進(jìn)行一些動(dòng)態(tài)的配置和管理，并能夠應對未來(lái)可能的電池供應商的轉換。在這個(gè)過(guò)程里面，我們細致地來(lái)談一談做電池管理系統的價(jià)值，還有如何去做電池管理系統。

第一部分 模組化供應

簡(jiǎn)單而言，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，我國也可能與德國VDA一樣，推出汽車(chē)用鋰電池標準，電池單體和模組的標準化勢在必行。通過(guò)對電池單體的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的方式，確保電池模塊統一尺寸，并綜合考慮電池本體的機械特性、熱特性以及安全特性。在安裝設計不變的情況下，根據不同的續航里程和動(dòng)力要求，提供不同電池容量，以滿(mǎn)足不同的需求。這種模塊化應用，在單體、模組端都可實(shí)現大規模自動(dòng)化生產(chǎn)，大幅降低生產(chǎn)成本，這就使得整個(gè)電池企業(yè)的供應都以模組為最小單元。

模組化供應改變了原來(lái)的電池企業(yè)的構建方式，原來(lái)供應電池單體，車(chē)企需要從單體開(kāi)始構建，整個(gè)BMS的拓撲結構都要根據電池大小來(lái)權衡選擇，而在供應模組條件下，基本單元就變成了模組小總成。

在這個(gè)過(guò)程中，下一步的集成電池模塊，則比傳統電動(dòng)汽車(chē)模塊容納更大容量電池組。以往電池模塊一般由 12 個(gè)容量為 2-3kWh 電池組組成，現在開(kāi)始往能容納 24 個(gè)單體的 6-8kWh 電池組轉向。這將在同樣的電池空間內，提高電池容量，有效增加電動(dòng)汽車(chē)續航。

圖1 PHEV和EV 模組

軟包的基本情況也是類(lèi)似的，也開(kāi)始往這個(gè)方向發(fā)展。

圖2 軟包的模組

如圖3所示，模組里面都是內嵌了LECU的功能，基本把模組溫度采集和單體電壓采集和電壓保護給做掉了。

·單體電壓測量和電壓監控：?jiǎn)误w的電壓的采集和保護，這個(gè)功能是下放到底層的。這里分為：

采集單體電壓：精度會(huì )影響單體差異性的比較

過(guò)壓和欠壓的判別：這里也是在底下可以完成的邏輯功能

校驗：通過(guò)單體累加和模組電壓的判別，實(shí)現對整個(gè)功能的診斷處理

·電池溫度：現在通常在一個(gè)模組內放置2-4個(gè)溫度點(diǎn)來(lái)采集母線(xiàn)焊接溫度、模組內電池溫度差異

·通信和信號：把溫度、電壓信息傳送出去，還有把基本的單體過(guò)壓欠壓發(fā)送出去

·均衡的實(shí)際控制：主要包含實(shí)際的電路

圖3 LECU及其基本功能

第二部分 電池管理功能

如前所述，由于供應模式的改變，電池管理功能也就需要匹配整個(gè)電池系統，底層的基本部件變成了模組。這里汽車(chē)企業(yè)面臨的課題是：

·整車(chē)動(dòng)力系統的需求差異：根據不同車(chē)輛的實(shí)際構型的需求，對電池的放電能力和功率特性有不同的要求

·充電特性：根據使用的實(shí)際情況，可以對充電的特殊需要做定制

·區域使用特性：根據車(chē)輛使用區域環(huán)境的不同，甚至需要對不同的熱管理特性進(jìn)行配置

·模組的差異，可能根據整車(chē)的需求不同，需要對單體的化學(xué)體系進(jìn)行切換

圖4 高壓系統架構

這樣一來(lái)，整車(chē)企業(yè)對BMS的掌控需求就很明顯了：

圖5 電池管理系統內核

這里就區分成“可變部分”和“不可變部分”,其中共性的部分有：

1)電池參數檢測：

包括總電壓、總電流、絕緣檢測(監測漏電)、碰撞檢測等。

·總電壓測量：在后續計算SOC的時(shí)候，往往會(huì )用電池組的總電壓來(lái)核算，這是計算電池包參數重要參量之一;如果由單體電壓累加計量而成本身電池單體電壓采樣有一定的時(shí)間差異性，也沒(méi)辦法與電池傳感器的數據實(shí)現精確對齊，因此往往采集電池包電壓來(lái)作為主參數來(lái)進(jìn)行運算。在診斷繼電器的時(shí)候，需要電池包內外電壓一起比較。

·總電流測量：電流測量手段主要分兩種智能分流器或霍爾電流傳感器。由于電池系統需要處理的電流數值往往瞬時(shí)很大，比如車(chē)輛加速所需要的放電電流和能量回收時(shí)候的充電電流，因此評估測量電池包的輸出電流(放電)和輸入電流(充電)的需要一定的量程和精度。

·絕緣電阻檢測：需要對整個(gè)電池系統和高壓系統進(jìn)行絕緣檢測，比較簡(jiǎn)單的是依靠電橋來(lái)測量總線(xiàn)正極和負極對地線(xiàn)的絕緣電阻。也可以采用主動(dòng)信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統的絕緣電阻。

·高壓互鎖檢測(HVIL)：用來(lái)確認整個(gè)高壓系統(可以分為放電回路和充電回路兩個(gè)部分)的完整性，當高壓系統回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需要啟動(dòng)安全措施了。

·SOC和SOH估計: 包括荷電狀態(tài)(SOC)或放電深度 (DOD)、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)、故障及安全狀態(tài)(SOS)等

2)故障診斷和容錯運行

·故障檢測是指通過(guò)分析采集到的傳感器信號，采用診斷算法來(lái)診斷故障類(lèi)型，并進(jìn)行早期預警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統的傳感器故障、執行器故障(如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等)，以及網(wǎng)絡(luò )故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過(guò)壓(過(guò)充)、欠壓(過(guò)放)、過(guò)電流、超高溫、內短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等。

·電池管理單元的故障會(huì )也需要以故障碼(DTC)來(lái)進(jìn)行報警，通過(guò)DTC觸發(fā)儀表盤(pán)當中的指示燈，在新能源汽車(chē)中電池故障也有相應的指示燈來(lái)提醒駕駛員。由于電池存在一定的危險性，往往需要車(chē)聯(lián)系統直接進(jìn)行信息傳送，以應對突然出現的事故。比如當發(fā)生事故的時(shí)候，當安全氣囊彈出，繼電器由整車(chē)控制器直接切斷以后，車(chē)聯(lián)系統通過(guò)定位和預警來(lái)處理，特別是電池放電。故障診斷包括對電池單體電壓、電池包電壓、電流、電池包溫度測量電路的故障進(jìn)行診斷，確定故障位置和故障級別，并做出相應的容錯控制。

·Fail-Safe的容錯運行機制，是指車(chē)輛在運行過(guò)程中遇到錯誤之后，車(chē)輛進(jìn)行的降級運行處理。事實(shí)上，這個(gè)功能更像是對以上所有功能降級和備份。這一機制包括故障檢測、故障類(lèi)型判斷、故障定位、故障信息輸出等。

3)繼電器控制

·控制電池包內一般有多繼電器系統，完成對繼電器的驅動(dòng)供給和狀態(tài)檢測，繼電器控制往往是和整車(chē)控制器協(xié)調后確認控制器，而安全氣囊控制器輸出的碰撞信號一般與繼電器控制器斷開(kāi)直接掛鉤。電池包內繼電器一般有主正、主負、預充繼電器和充電繼電器，在電池包外還有獨立的配電盒對整個(gè)電流分配做個(gè)更細致的保護。對電池包的繼電器控制，閉合、斷開(kāi)的狀態(tài)以及開(kāi)關(guān)的順序都很重要。

可變的部分:

1)熱管理：

·需要檢測電池包熱管理系統的溫度參量(流體入口和出口的溫度)，檢測電路與單體檢測類(lèi)似。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求，決定主動(dòng)加熱/散熱的強度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能。

·熱控制：電池的化學(xué)性能受環(huán)境的溫度影響非常大，為了保證電池的使用壽命必須讓電池工作在合理的溫度范圍之內，并根據不同的溫度給整車(chē)控制器得出其所能輸出和輸入的最大功率。對于電池系統的溫度控制主要用到CFD仿真分析，這里核心的就是選擇不同的熱管理的外部方式，然后通過(guò)內部的管理策略保證溫度的閾值可用。

圖6 液冷和風(fēng)冷共用一套基礎的BMU系統

2)充電控制

原來(lái)的電池管理系統的一種主要模式是監控電池系統在充電過(guò)程中的需求，負責整個(gè)電池系統的電流輸入，包含常規充電和能量回收的管控?，F在可變的部分是面向快充的設計，由于消費者的需求和實(shí)際的情況，這個(gè)地方也是處在挺高的變化區域。

3）均衡管理：

串聯(lián)的電池包在實(shí)際使用過(guò)程中，每個(gè)串聯(lián)的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過(guò)放電和過(guò)充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，輸入和輸出的功率也存在限制。也就是說(shuō)，單個(gè)電池的限制，就會(huì )影響到整個(gè)電池。

·電池包內各個(gè)單體電池之間的個(gè)體差異：?jiǎn)误w容量差異、單體內阻差異、單體自放電差異、工作時(shí)候電流差異和休眠時(shí)候電流差異

·電池包內隨著(zhù)時(shí)間的變化，電池的單體容量、單體內阻、單體自放電都會(huì )產(chǎn)生差異

·客戶(hù)使用：充電時(shí)間、放電時(shí)間

·外部環(huán)境：同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電

·系統相互影響：BMS的工作狀況，這個(gè)因素和BMS的工作狀態(tài)有關(guān)系。

實(shí)際電池容量出現較大變化的時(shí)候，使得均衡能力定死的情況下，BMU上端需要給出不同的策略。

所以，未來(lái)可能的變化是，電池管理系統形成下端和上端的分離，為了大量上項目，節約管理和變更管理，汽車(chē)廠(chǎng)內需要形成甲方中的乙方，專(zhuān)門(mén)做系統軟件的那部分，來(lái)負責整個(gè)電池系統管理的核心算法和配置過(guò)程，他們負責設置電池的保護和使用閾值，對整個(gè)車(chē)輛的可用性和售后負責。整個(gè)BMS管理的硬件，倒是和車(chē)企也沒(méi)有關(guān)系，這里需要非常好的軟硬件接口文件，否則極易出錯。我們未來(lái)掌控的事也挺有限的。