電池管理系統(tǒng)的硬件發(fā)展綜述

作者 / 陸珂?zhèn)?上海汽車捷能技術(shù)有限公司(上海 201300)

　　陸珂?zhèn)?1973-)，男，上海汽車捷能技術(shù)有限公司電池部總監(jiān)，研究方向：電池系統(tǒng)。

摘要：為保證鋰離子電池工作在安全工作區(qū)域內(nèi)，必須通過管理系統(tǒng)進行有效控制與管理，充分保證電池的安全性、耐久性和動力性;而電池管理系統(tǒng)本身的功能安全特性、可靠性和耐久性都成為汽車企業(yè)關(guān)注的核心

　　發(fā)展新能源汽車已經(jīng)在汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)作為一項基礎(chǔ)性共識，也受到全球各國政府的高度重視。動力鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、壽命長等特點，并且成本在過去的幾年中持續(xù)下降。在電動乘用車發(fā)展中，電池管理系統(tǒng)的發(fā)展目前已經(jīng)成為一項核心內(nèi)容，其管控對象鋰電池容量大、串聯(lián)節(jié)數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，作為汽車核心的動力總成的儲能單元具有安全性、耐久性、動力性等性能要求高，有效對電池系統(tǒng)進行管理和保證其安全性成為影響電動汽車推廣普及的瓶頸之一。為了確保鋰離子電池工作在安全工作范圍內(nèi)，必須通過管理系統(tǒng)進行有效控制與管理，充分保證電池的安全性、耐久性和動力性;與此同時，電池管理系統(tǒng)本身的功能安全特性、可靠性和耐久性都成為汽車企業(yè)關(guān)注的核心，本文將對電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的硬件發(fā)展做一個系統(tǒng)性的梳理。

1 電池管理系統(tǒng)定義和硬件分類

　　電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證電池系統(tǒng)的設(shè)計性能，包括：

　　1)感知電池狀態(tài)：讀取電池單體的電壓、電流和溫度信息;

　　2)安全性：根據(jù)已知的狀態(tài)信息，保護電池單體或電池組免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故;

　　3)耐久性：使電池工作在可靠的設(shè)計范圍內(nèi)，保證工作的溫度和SoC區(qū)間，延長電池的使用壽命;

　　4)功率與動力性：維持電池工作在滿足車輛要求的狀態(tài)下，判定電池的充放電功率。

　　從硬件結(jié)構(gòu)上，電池管理系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器、高低壓線束等組成，從硬件結(jié)構(gòu)上來看，它有以下的功能模塊：

　　1)電池參數(shù)檢測(傳感器層)：包括電池系統(tǒng)總電壓、總電流、單體電池電壓檢測、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等。

　　2)接觸器控制與電池安全保護(執(zhí)行層)：電池管理系統(tǒng)具備驅(qū)動接觸器的電路和診斷接觸器各個高壓節(jié)點的實際狀態(tài)。電池管理最后手段是斷開接觸器，診斷到故障后，根據(jù)故障的危害來分級處理，并通過串行網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器進行有效處理，在極端情況下超過一定安全閾值時，BMS也可以切斷主回路電源，防止違反電池安全目標(biāo)等對乘員產(chǎn)生傷害。

　　3)MCU計算核心：這部分是整個電池管理系統(tǒng)的算法，這部分也是電池系統(tǒng)作為一個整車控制器實現(xiàn)既定的功能安全目標(biāo)最基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)。

　　4)故障電路：這部分是有關(guān)整個電池管理系統(tǒng)本身和外部的情況的處理，包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號，采用診斷算法診斷故障類型。

　　5)均衡電路：整個電池系統(tǒng)的不一致性直接影響電池系統(tǒng)的實際可用容量，這個不一致性會隨著時間進行累積。電池均衡電路和相應(yīng)的控制算法，是根據(jù)單體電池信息，采用均衡方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量。

　　6)電源管理電路和EMC抑制：電池管理系統(tǒng)從電池模組和12V電池上驅(qū)電，通過合理的保護電路來管控不同節(jié)點的電源情況。由于電池系統(tǒng)處在一個高壓大電流的環(huán)境里面，外部的負載會導(dǎo)致在母線上會有大量的暫態(tài)分量，在電池系統(tǒng)內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)需要具備好的抗電磁干擾能力，這里就要求在電源端，信號端具備良好的布局和處理。

　　7)網(wǎng)絡(luò)通訊和喚醒電路：電池管理系統(tǒng)是需要與整車動力總成、車身網(wǎng)絡(luò)等整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信，也需要進行對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理和喚醒休眠管理。在整個電池壽命周期里面，需要完成刷寫配置、在線標(biāo)定、監(jiān)控、升級維護等，一般電池管理系統(tǒng)包含多路串行通信網(wǎng)絡(luò)。

　　8)信息存儲單元：用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，比如在整個生命周期內(nèi)客戶使用的情況，這部分核心內(nèi)容是記錄電池系統(tǒng)超出預(yù)期的濫用數(shù)據(jù)的時間和頻次。

　　9)其他輔助電路：在實際的設(shè)計中會考慮加入時鐘模塊等電路。

　　10)可選電路：在電池管理系統(tǒng)可以加入絕緣檢測電路等。

　　如圖1所示，想要在一塊電路板上完成一個大的完整的電池管理系統(tǒng)，其硬件和軟件的復(fù)雜度，特別是高低壓混合的情況比較突出，外圍的高低壓線束使得整個電池管理系統(tǒng)在硬件設(shè)計上難以實現(xiàn)。

2 電池管理系統(tǒng)硬件和架構(gòu)國內(nèi)外的發(fā)展

　　正是由于以上的原因，實際在設(shè)計過程中，有以下幾種實際設(shè)計路徑，在硬件結(jié)構(gòu)和功能分配上主要采用集中式與分布式兩種結(jié)構(gòu)。集中式的電池管理系統(tǒng)是把所有的電池信息測量集中在一個ECU上，然后把很多的功能通過輔助的方式由VCU來進行管控，電池管里系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集、處理和狀態(tài)估算。而在分布式的電池管理系統(tǒng)中，目前最為徹底的是只把電池系統(tǒng)作為一個低壓普通ECU，把接觸器控制總成、電池電壓和溫度測量單元智能化，形成一個內(nèi)部較為復(fù)雜的串行網(wǎng)絡(luò)單獨管理。

2.1 集中式電池管理系統(tǒng)

　　如圖2所示，集中式的電池管理系統(tǒng)在早期電動汽車的設(shè)計中出現(xiàn)較早，如典型案例1。在設(shè)計上可以節(jié)約成本、空間，整個通信過程基本集中在PCB電路板內(nèi)，有利于傳感器采集的信號的同步管理，并且是一個性價比非常高的方案。

　　在電池管理的算法要求，對于電池單體信號的采樣頻率與同步對數(shù)據(jù)實時分析和處理有實質(zhì)性的要求。在功率輸出變化較大時候，在時間上的差異，單體電壓之間也會存在同步問題，電壓和電流也會有時間差，這會直接影響SoC的估算精度和各個單體SoC不一致性分析。系統(tǒng)對不同信號的數(shù)據(jù)采樣頻率和同步要求不同，電壓與電流信號變化較快，采樣頻率和同步性要求很高。在集中式的設(shè)計中，最大的優(yōu)勢是可以利用板間通信的高速性保證電壓同步，每個采集子板中單體間的電壓采樣時間差保持很小，電流傳感器信號也可以通過自身采集，不需要通過發(fā)送CAN時間幀來實現(xiàn)。

　　其中核心難點在于對于采集芯片ASIC的提升，在系統(tǒng)層面有較多的考慮，所以如案例2往往加入另一個MCU處理核心來輔助檢測ASIC的狀態(tài)，采集部分信號形成額外的診斷和信號管理機制?？梢钥吹?，隨著采集芯片ASIC的耐壓工藝提升和內(nèi)部運算單元的提高，其故障管理機制和功能安全等級都在提升。

　　集中式電池管理系統(tǒng)的主要缺點有以下幾個方面：

　　1) 連接器和線束設(shè)計復(fù)雜：如圖2所示，電池管理單元都有6~8個連接器，對應(yīng)的采樣線束走線比較長，使得在計算過程中需要對采樣線束的線路阻抗進行測量和校準(zhǔn)由于線路壓降引起的誤差。整個模組內(nèi)部線路也需要考慮采樣線路在不同段出現(xiàn)短路和過流時候的保護。

　　2) 電路板的尺寸、高壓安全和安裝：由于集中式把高低壓整合在一起，使得整個電路板的尺寸很大，這是由于需要滿足高壓安全需要在各個電壓差上設(shè)計足夠的安全間距，滿足耐壓的設(shè)計要求。這使得電池系統(tǒng)內(nèi)需要對電池管理系統(tǒng)的布置提出額外的要求，限制了布置的通用性，不利于電池系統(tǒng)模塊化應(yīng)用。

　　3) 維修性和可靠性：由于在硬件時間上核算，采集芯片段的ASIC工作時間比較長，通常需要考慮行駛時間(8000小時)和充電時間(20000小時)，這就使得整個電路需要上電工作時間超過了大部分的車載ECU幾倍。一個高低壓混合而且具有較大電流波動的EMC環(huán)境使得電路的壽命和可靠性提出了很大的挑戰(zhàn)。從維修性的角度來看，使得硬件設(shè)計充滿了挑戰(zhàn)性。

2.2 分布式管理

　　另外一種設(shè)計方向是通過模塊化的設(shè)計，由電池管理主系統(tǒng)(BMU)需要完成電池管理的核心算法功能，將接觸器的管理功能分配給繼電器管理總成(PRA)，完成電池組高壓電壓采集、電流采集、接觸器驅(qū)動和診斷、絕緣檢測等功能，由電池信息采集板(CMU)完成單體電壓采集、均衡和溫度測量，整個系統(tǒng)由電池管理主系統(tǒng)(BMU)、繼電器管理總成(PRA)和電池信息采集板(CMU)組成內(nèi)部串行通信網(wǎng)絡(luò)形成子網(wǎng)連接。電池信息采集板(CMU)布置在動力電池模組上，重點考慮內(nèi)部模組供電端和12 V供電端得隔離的安全性和抗干擾性，在電源設(shè)計上設(shè)置足夠的電應(yīng)力冗余，保證能在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。

　　分布式管理系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上來看，極大地簡化了設(shè)計的難度，實現(xiàn)了模塊化的考慮，可以在PHEV/EV上實現(xiàn)很大程度的復(fù)用，有很大的適用性。其缺點包括：

　　1)為了保證通信完整性，需要在網(wǎng)絡(luò)層面做足夠的設(shè)計，在CAN的高速網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)抗干擾的設(shè)計和時間同步參考幀來控制每個采集子板中采樣數(shù)據(jù)的時間差。在出現(xiàn)強干擾的情況下，需要采取故障安全設(shè)計。

　　2)成本較高，布置上也需要模組通盤考慮。由于每個板子獨立出來，在使用環(huán)節(jié)需要編號和組網(wǎng)刷寫程序;在模組的結(jié)構(gòu)上，可以采取內(nèi)置和外置的模式，不僅多了PCB、外殼的成本也對整個生產(chǎn)過程有一定的影響。部件的復(fù)雜性使得我們對于每個部件的追溯和信息管理都要進行管控，后期維修也需要一定的處理。

　　上汽電池管理系統(tǒng)在硬件上采取了分布式的硬件架構(gòu)，在軟件上建立了基于AUTOSAR+MBD的軟件開發(fā)平臺，掌握了BMS核心算法開發(fā)能力。對各功能進行完全模塊化設(shè)計，有利于提高軟件的開發(fā)效率、可靠性、可移植性以及可維護性。

3 結(jié)論

　　電池管理系統(tǒng)的硬件隨著電池系統(tǒng)的可靠性和安全性提高，將越來越占據(jù)一個重要的角色。在國內(nèi)電池管理系統(tǒng)的發(fā)展目前呈現(xiàn)出良好趨勢，整車企業(yè)也作為一個獨立的開發(fā)主體根據(jù)電池管理系統(tǒng)的不同要求研發(fā)出具有自身特色的技術(shù)和產(chǎn)品，滿足電動汽車整車的要求。由于電池本身和電池管理系統(tǒng)之間存在著技術(shù)難題，電池管理系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間，整車企業(yè)的深入介入將使得兩者結(jié)合取得更大的進展。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。