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詳解電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2016-10-25 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  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(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(chē)廠(chǎng)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(chǎng)家的產(chǎn)品做資料分析,根據(jù)各個(gè)車(chē)廠(chǎng)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(chē)廠(chǎng)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/311786.htm

  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(chēng)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(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(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(xiàn)束比較長(zhǎng),導(dǎo)致采樣導(dǎo)線(xiàn)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,長(zhǎng)線(xiàn)和短線(xiàn)在均衡的時(shí)候?qū)е骂~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(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(chē)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(xiàn)束固定起來(lái)相對(duì)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(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(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(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(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(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(chē)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(chē)控制和電池管理系統(tǒng)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(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??偟内厔?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(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(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(kāi)始陸續(xù)測(cè)試試驗(yàn)車(chē)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(chē)外的連接。

  電池內(nèi)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(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L(fǎng)EAF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(chē)型就開(kāi)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(chē)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(xiàn)傳送出去了。

  BMU 功能:這是非對(duì)稱(chēng)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(chē)展均勝電子展臺(tái)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(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(xiàn)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(chē),其實(shí)本質(zhì)上HEV的運(yùn)行機(jī)理和傳統(tǒng)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(yùn)輸?shù)絇CBA的組裝廠(chǎng),成為部件產(chǎn)品,然后運(yùn)送至整車(chē)企業(yè)組裝廠(chǎng)待上車(chē)b)運(yùn)行時(shí)間,也就是開(kāi)車(chē)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(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)。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(chē)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(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(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(hù)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(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(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(pán)和車(chē)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??紤]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(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(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??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(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(kāi)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(chē)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。



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