電池管理系統(tǒng)的硬件發(fā)展綜述

作者 / 陸珂?zhèn)?上海汽車捷能技術有限公司(上海 201300)

　　陸珂?zhèn)?1973-)，男，上海汽車捷能技術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，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)關注的核心

　　發(fā)展新能源汽車已經在汽車產業(yè)內作為一項基礎性共識，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)展目前已經成為一項核心內容，其管控對象鋰電池容量大、串聯節(jié)數多，系統(tǒng)復雜，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，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)的主要任務是保證電池系統(tǒng)的設計性能，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，防止出現安全事故;

　　3)耐久性：使電池工作在可靠的設計范圍內，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。

　　從硬件結構上，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，從硬件結構上來看，它有以下的功能模塊：

　　1)電池參數檢測(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，根據故障的危害來分級處理，并通過串行網絡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等對乘員產生傷害。

　　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既定的功能安全目標最基礎的電路結構。

　　4)故障電路：這部分是有關整個電池管理系統(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的控制算法，是根據單體電池信息，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，外部的負載會導致在母線上會有大量的暫態(tài)分量，在電池系統(tǒng)內部的電池管理系統(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)網絡通訊和喚醒電路：電池管理系統(tǒng)是需要與整車動力總成、車身網絡等整車網絡節(jié)點通信，也需要進行對應的網絡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絡。

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

　　9)其他輔助電路：在實際的設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)在硬件設計上難以實現。

2 電池管理系統(tǒng)硬件和架構國內外的發(fā)展

　　正是由于以上的原因，實際在設計過程中，有以下幾種實際設計路徑，在硬件結構和功能分配上主要采用集中式與分布式兩種結構。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)進行數據的采集、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，形成一個內部較為復雜的串行網絡單獨管理。

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計中出現較早，如典型案例1。在設計上可以節(jié)約成本、空間，整個通信過程基本集中在PCB電路板內，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據實時分析和處理有實質性的要求。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)對不同信號的數據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。

　　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。可以看到，隨著采集芯片ASIC的耐壓工藝提升和內部運算單元的提高，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) 連接器和線束設計復雜：如圖2所示，電池管理單元都有6~8個連接器，對應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由于線路壓降引起的誤差。整個模組內部線路也需要考慮采樣線路在不同段出現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計足夠的安全間距，滿足耐壓的設計要求。這使得電池系統(tǒng)內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，使得硬件設計充滿了挑戰(zhàn)性。

2.2 分布式管理

　　另外一種設計方向是通過模塊化的設計，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)組成內部串行通信網絡形成子網連接。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，在電源設計上設置足夠的電應力冗余，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)從硬件結構上來看，極大地簡化了設計的難度，實現了模塊化的考慮，可以在PHEV/EV上實現很大程度的復用，有很大的適用性。其缺點包括：

　　1)為了保證通信完整性，需要在網絡層面做足夠的設計，在CAN的高速網絡中實現抗干擾的設計和時間同步參考幀來控制每個采集子板中采樣數據的時間差。在出現強干擾的情況下，需要采取故障安全設計。

　　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)需要編號和組網刷寫程序;在模組的結構上，可以采取內置和外置的模式，不僅多了PCB、外殼的成本也對整個生產過程有一定的影響。部件的復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，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，將越來越占據一個重要的角色。在國內電池管理系統(tǒng)的發(fā)展目前呈現出良好趨勢，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和產品，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合取得更大的進展。

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