談?wù)勲姵毓芾硐到y(tǒng)

在政府要強(qiáng)制實(shí)行油耗和新能源汽車積分并行管理的大背景下，大量車企都推出了新能源汽車開發(fā)上市計劃，并且要持續(xù)上量。為了滿足這一系列的計劃，在PHEV(含EREV)、EV這幾個領(lǐng)域里面，汽車企業(yè)需要用不同的新能源車輛組合去合乎政策規(guī)范、順應(yīng)市場需求并迎合消費(fèi)者，這就需要對車型的核心指標(biāo)(續(xù)航里程、百公里加速和充電速度)進(jìn)行一些動態(tài)的配置和管理，并能夠應(yīng)對未來可能的電池供應(yīng)商的轉(zhuǎn)換。在這個過程里面，我們細(xì)致地來談一談做電池管理系統(tǒng)的價值，還有如何去做電池管理系統(tǒng)。

第一部分 模組化供應(yīng)

簡單而言，隨著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，我國也可能與德國VDA一樣，推出汽車用鋰電池標(biāo)準(zhǔn)，電池單體和模組的標(biāo)準(zhǔn)化勢在必行。通過對電池單體的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的方式，確保電池模塊統(tǒng)一尺寸，并綜合考慮電池本體的機(jī)械特性、熱特性以及安全特性。在安裝設(shè)計不變的情況下，根據(jù)不同的續(xù)航里程和動力要求，提供不同電池容量，以滿足不同的需求。這種模塊化應(yīng)用，在單體、模組端都可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動化生產(chǎn)，大幅降低生產(chǎn)成本，這就使得整個電池企業(yè)的供應(yīng)都以模組為最小單元。

模組化供應(yīng)改變了原來的電池企業(yè)的構(gòu)建方式，原來供應(yīng)電池單體，車企需要從單體開始構(gòu)建，整個BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都要根據(jù)電池大小來權(quán)衡選擇，而在供應(yīng)模組條件下，基本單元就變成了模組小總成。

在這個過程中，下一步的集成電池模塊，則比傳統(tǒng)電動汽車模塊容納更大容量電池組。以往電池模塊一般由 12 個容量為 2-3kWh 電池組組成，現(xiàn)在開始往能容納 24 個單體的 6-8kWh 電池組轉(zhuǎn)向。這將在同樣的電池空間內(nèi)，提高電池容量，有效增加電動汽車?yán)m(xù)航。

圖1 PHEV和EV 模組

軟包的基本情況也是類似的，也開始往這個方向發(fā)展。

圖2 軟包的模組

如圖3所示，模組里面都是內(nèi)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(hù)給做掉了。

·單體電壓測量和電壓監(jiān)控：單體的電壓的采集和保護(hù)，這個功能是下放到底層的。這里分為：

采集單體電壓：精度會影響單體差異性的比較

過壓和欠壓的判別：這里也是在底下可以完成的邏輯功能

校驗(yàn)：通過單體累加和模組電壓的判別，實(shí)現(xiàn)對整個功能的診斷處理

·電池溫度：現(xiàn)在通常在一個模組內(nèi)放置2-4個溫度點(diǎn)來采集母線焊接溫度、模組內(nèi)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(yīng)模式的改變，電池管理功能也就需要匹配整個電池系統(tǒng)，底層的基本部件變成了模組。這里汽車企業(yè)面臨的課題是：

·整車動力系統(tǒng)的需求差異：根據(jù)不同車輛的實(shí)際構(gòu)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(jù)使用的實(shí)際情況，可以對充電的特殊需要做定制

·區(qū)域使用特性：根據(jù)車輛使用區(qū)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(jù)整車的需求不同，需要對單體的化學(xué)體系進(jìn)行切換

圖4 高壓系統(tǒng)架構(gòu)

這樣一來，整車企業(yè)對BMS的掌控需求就很明顯了：

圖5 電池管理系統(tǒng)內(nèi)核

這里就區(qū)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(shù)檢測：

包括總電壓、總電流、絕緣檢測(監(jiān)測漏電)、碰撞檢測等。

·總電壓測量：在后續(xù)計算SOC的時候，往往會用電池組的總電壓來核算，這是計算電池包參數(shù)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間差異性，也沒辦法與電池傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確對齊，因此往往采集電池包電壓來作為主參數(shù)來進(jìn)行運(yùn)算。在診斷繼電器的時候，需要電池包內(nèi)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(tǒng)需要處理的電流數(shù)值往往瞬時很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時候的充電電流，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：需要對整個電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測，比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負(fù)極對地線的絕緣電阻。也可以采用主動信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統(tǒng)的絕緣電阻。

·高壓互鎖檢測(HVIL)：用來確認(rèn)整個高壓系統(tǒng)(可以分為放電回路和充電回路兩個部分)的完整性，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開或者完整性受到破壞的時候，就需要啟動安全措施了。

·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(yùn)行

·故障檢測是指通過分析采集到的傳感器信號，采用診斷算法來診斷故障類型，并進(jìn)行早期預(yù)警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)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壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等。

·電池管理單元的故障會也需要以故障碼(DTC)來進(jìn)行報警，通過DTC觸發(fā)儀表盤當(dāng)中的指示燈，在新能源汽車中電池故障也有相應(yīng)的指示燈來提醒駕駛員。由于電池存在一定的危險性，往往需要車聯(lián)系統(tǒng)直接進(jìn)行信息傳送，以應(yīng)對突然出現(xiàn)的事故。比如當(dāng)發(fā)生事故的時候，當(dāng)安全氣囊彈出，繼電器由整車控制器直接切斷以后，車聯(lián)系統(tǒng)通過定位和預(yù)警來處理，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(yīng)的容錯控制。

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

3)繼電器控制

·控制電池包內(nèi)一般有多繼電器系統(tǒng)，完成對繼電器的驅(qū)動供給和狀態(tài)檢測，繼電器控制往往是和整車控制器協(xié)調(diào)后確認(rèn)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直接掛鉤。電池包內(nèi)繼電器一般有主正、主負(fù)、預(yù)充繼電器和充電繼電器，在電池包外還有獨(dú)立的配電盒對整個電流分配做個更細(xì)致的保護(hù)。對電池包的繼電器控制，閉合、斷開的狀態(tài)以及開關(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(tǒng)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似。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強(qiáng)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(nèi)，并根據(jù)不同的溫度給整車控制器得出其所能輸出和輸入的最大功率。對于電池系統(tǒng)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，然后通過內(nèi)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(chǔ)的BMU系統(tǒng)

2)充電控制

原來的電池管理系統(tǒng)的一種主要模式是監(jiān)控電池系統(tǒng)在充電過程中的需求，負(fù)責(zé)整個電池系統(tǒng)的電流輸入，包含常規(guī)充電和能量回收的管控?，F(xiàn)在可變的部分是面向快充的設(shè)計，由于消費(fèi)者的需求和實(shí)際的情況，這個地方也是處在挺高的變化區(qū)域。

3）均衡管理：

串聯(lián)的電池包在實(shí)際使用過程中，每個串聯(lián)的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過放電和過充電的限制，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，單個電池的限制，就會影響到整個電池。

·電池包內(nèi)各個單體電池之間的個體差異：單體容量差異、單體內(nèi)阻差異、單體自放電差異、工作時候電流差異和休眠時候電流差異

·電池包內(nèi)隨著時間的變化，電池的單體容量、單體內(nèi)阻、單體自放電都會產(chǎn)生差異

·客戶使用：充電時間、放電時間

·外部環(huán)境：同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電

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

實(shí)際電池容量出現(xiàn)較大變化的時候，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，未來可能的變化是，電池管理系統(tǒng)形成下端和上端的分離，為了大量上項目，節(jié)約管理和變更管理，汽車廠內(nèi)需要形成甲方中的乙方，專門做系統(tǒng)軟件的那部分，來負(fù)責(zé)整個電池系統(tǒng)管理的核心算法和配置過程，他們負(fù)責(zé)設(shè)置電池的保護(hù)和使用閾值，對整個車輛的可用性和售后負(fù)責(zé)。整個BMS管理的硬件，倒是和車企也沒有關(guān)系，這里需要非常好的軟硬件接口文件，否則極易出錯。我們未來掌控的事也挺有限的。