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(jìn)行有效控制與管理，充分保證電池的安全性、耐久性和動(dòng)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(xiàng)基礎(chǔ)性共識(shí)，也受到全球各國(guó)政府的高度重視。動(dòng)力鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，并且成本在過去的幾年中持續(xù)下降。在電動(dòng)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(xiàng)核心內(nèi)容，其管控對(duì)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(dòng)力總成的儲(chǔ)能單元具有安全性、耐久性、動(dòng)力性等性能要求高，有效對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行管理和保證其安全性成為影響電動(dòng)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(jìn)行有效控制與管理，充分保證電池的安全性、耐久性和動(dòng)力性;與此同時(shí)，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(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的硬件發(fā)展做一個(gè)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(jì)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(hù)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(jì)范圍內(nèi)，保證工作的溫度和SoC區(qū)間，延長(zhǎng)電池的使用壽命;

　　4)功率與動(dòng)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(cè)(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(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧探測(cè)、絕緣檢測(cè)、碰撞檢測(cè)等。

　　2)接觸器控制與電池安全保護(hù)(執(zhí)行層)：電池管理系統(tǒng)具備驅(qū)動(dòng)接觸器的電路和診斷接觸器各個(gè)高壓節(jié)點(diǎn)的實(shí)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(jí)處理，并通過串行網(wǎng)絡(luò)通知整車控制器進(jìn)行有效處理，在極端情況下超過一定安全閾值時(shí)，BMS也可以切斷主回路電源，防止違反電池安全目標(biāo)等對(duì)乘員產(chǎn)生傷害。

　　3)MCU計(jì)算核心：這部分是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的算法，這部分也是電池系統(tǒng)作為一個(gè)整車控制器實(shí)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(gè)電池管理系統(tǒng)本身和外部的情況的處理，包括故障檢測(cè)、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測(cè)是指通過采集到的傳感器信號(hào)，采用診斷算法診斷故障類型。

　　5)均衡電路：整個(gè)電池系統(tǒng)的不一致性直接影響電池系統(tǒng)的實(shí)際可用容量，這個(gè)不一致性會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)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(hù)電路來管控不同節(jié)點(diǎn)的電源情況。由于電池系統(tǒng)處在一個(gè)高壓大電流的環(huán)境里面，外部的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致在母線上會(huì)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(hào)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(dòng)力總成、車身網(wǎng)絡(luò)等整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理和喚醒休眠管理。在整個(gè)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(jí)維護(hù)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(chǔ)單元：用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，比如在整個(gè)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(shí)間和頻次。

　　9)其他輔助電路：在實(shí)際的設(shè)計(jì)中會(huì)考慮加入時(shí)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(cè)電路等。

　　如圖1所示，想要在一塊電路板上完成一個(gè)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(gè)電池管理系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上難以實(shí)現(xiàn)。

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

　　正是由于以上的原因，實(shí)際在設(shè)計(jì)過程中，有以下幾種實(shí)際設(shè)計(jì)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(cè)量集中在一個(gè)ECU上，然后把很多的功能通過輔助的方式由VCU來進(jìn)行管控，電池管里系統(tǒng)進(jìn)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(gè)低壓普通ECU，把接觸器控制總成、電池電壓和溫度測(cè)量單元智能化，形成一個(gè)內(nèi)部較為復(fù)雜的串行網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)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(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)較早，如典型案例1。在設(shè)計(jì)上可以節(jié)約成本、空間，整個(gè)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(hào)的同步管理，并且是一個(gè)性價(jià)比非常高的方案。

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

　　其中核心難點(diǎn)在于對(duì)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(gè)MCU處理核心來輔助檢測(cè)ASIC的狀態(tài)，采集部分信號(hào)形成額外的診斷和信號(hào)管理機(jī)制?？梢钥吹?，隨著采集芯片ASIC的耐壓工藝提升和內(nèi)部運(yùn)算單元的提高，其故障管理機(jī)制和功能安全等級(jí)都在提升。

　　集中式電池管理系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

　　1) 連接器和線束設(shè)計(jì)復(fù)雜：如圖2所示，電池管理單元都有6~8個(gè)連接器，對(duì)應(yīng)的采樣線束走線比較長(zhǎng)，使得在計(jì)算過程中需要對(duì)采樣線束的線路阻抗進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)由于線路壓降引起的誤差。整個(gè)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(shí)候的保護(hù)。

　　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(gè)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(gè)電壓差上設(shè)計(jì)足夠的安全間距，滿足耐壓的設(shè)計(jì)要求。這使得電池系統(tǒng)內(nèi)需要對(duì)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(shí)間上核算，采集芯片段的ASIC工作時(shí)間比較長(zhǎng)，通常需要考慮行駛時(shí)間(8000小時(shí))和充電時(shí)間(20000小時(shí))，這就使得整個(gè)電路需要上電工作時(shí)間超過了大部分的車載ECU幾倍。一個(gè)高低壓混合而且具有較大電流波動(dòng)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(jì)充滿了挑戰(zhàn)性。

2.2 分布式管理

　　另外一種設(shè)計(jì)方向是通過模塊化的設(shè)計(jì)，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(dòng)和診斷、絕緣檢測(cè)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(cè)量，整個(gè)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(dòng)力電池模組上，重點(diǎn)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(jì)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的難度，實(shí)現(xiàn)了模塊化的考慮，可以在PHEV/EV上實(shí)現(xiàn)很大程度的復(fù)用，有很大的適用性。其缺點(diǎn)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(jì)，在CAN的高速網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)抗干擾的設(shè)計(jì)和時(shí)間同步參考幀來控制每個(gè)采集子板中采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間差。在出現(xiàn)強(qiáng)干擾的情況下，需要采取故障安全設(shè)計(jì)。

　　2)成本較高，布置上也需要模組通盤考慮。由于每個(gè)板子獨(dú)立出來，在使用環(huán)節(jié)需要編號(hào)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(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程有一定的影響。部件的復(fù)雜性使得我們對(duì)于每個(gè)部件的追溯和信息管理都要進(jìn)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(tái)，掌握了BMS核心算法開發(fā)能力。對(duì)各功能進(jìn)行完全模塊化設(shè)計(jì)，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(hù)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(gè)重要的角色。在國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)的發(fā)展目前呈現(xiàn)出良好趨勢(shì)，整車企業(yè)也作為一個(gè)獨(dú)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(dòng)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(jìn)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(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。