解決方案
詳解電動汽車的電池管理系統（附案例分析）
發布時間：
2016-03-28
由于汽車電氣化的水平發展，乘用車用電池管理系統，未來可以在低壓啟動電池(12V&48V)和高壓HEV電池(1kwh~1.5kwh)和PHEV電池(4～18kwh)和BEV電池(20～85kwh)等電池系統里面看得到。低壓系統和高壓系統差異很大。電池系統差異在各個車廠和各個應用平臺之間都比較大，各個企業有自己的風格，本文主要通過對不同廠家的產品做資料分析，根據各個車廠未來應用的內部的電池管理系統按照目前的模塊化策略，來整合分析電池管理系統。應該說未來各家車廠設計理念的演變，使得高壓電池系統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的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統結構、集中式管理系統案例分析、分布式管理案例分析和產品設計的幾點考慮幾個部分。限于本人的水平和對案例的認知有限，難免有些偏差或者錯誤，在這里僅是拋磚引玉，請各位讀者海涵。
第一部分 電池管理系統結構
電池管理系統有三種不同的構型，我們可以稱為集中式管理系統、半分布式管理系統和分布式管理系統。
1)集中式管理系統(大BMS方式)：這種管理架構，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都是這樣的結構，PHEV和EV典型的應用如LEAF、Cmax等。這樣做的優點，是相對而言比較簡單，成本較低，由于采集備份在同一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點當然是很明顯的，單體采樣的線束比較長，導致采樣導線的設計較為復雜，長線和短線在均衡的時候導致額外的電壓壓降；整個包的線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，性能有些地方沒法保證，只能適用于較小的電池包。
2)分布式管理系統(BMU+多個CSC方式)：這種是將電池模組(模組和CSC一配一的方式)的功能獨立分離，整個系統形成了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控制器，三層兩個網絡的形式。典型的應用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優點是可以將模組裝配過程簡化，采樣線束固定起來相對容易，線束距離均勻，不存在壓降不一的問題；如后面分析的那樣，當電池包大了以后，這種模式就很有優勢了。缺點是成本較高，如3所示，需要額外的MCU，獨立的CAN總線支持將各個模塊的信息整合發送給BMS，總線的電壓信息對齊設計也相對復雜。這種方案系統成本最高，但是移植起來最方便，屬于單價高開發成本低的典型，電池包可大可小。
3)半分布式管理系統(BMU+少量大CSC方式)：簡單一些來說，這就是兩種模式的妥協，主要用于模組排布比較奇特的包上，典型的應用如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系統的部件較少，但是需要注意的是這種方式優勢不太明顯，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 三種電池管理系統架構
圖2 部分主流車輛的管理系統劃分
圖3 分布式和集中式架構基本對比
可以說，如果將整車控制和電池管理系統的放在一起來看的話，整個功能分配會更加完整一些。當功能進行劃分完畢之后，我們可以進一步對各個部件進行硬件和軟件的定義。總的趨勢變化：
a)BMS+BMU 單元肯定會保留功能
· 單體相關的功能(電壓、溫度測量和備份、均衡)
· SOx的算法和功率限制
· 對VCU的通信
· 自身的診斷和少量的記錄
·絕緣檢測
b)可能轉移至配電盒轉移的功能
· 高壓測量
· 繼電器控制和診斷
· 電流測量
c)可能轉移至整車控制器的功能
· 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管理系統案例分析
日產的工程師采取了傳統集中式的典型布置，這是技術演進的結果(日產從上世紀90年代開始陸續測試試驗車Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini)，更像是對原有的HEV電池包進行優化。在整個模塊里面，所有的模組都是由BMS直接采集并采用傳統的配電盒處理。
BMS功能：安裝在24個模塊的側邊，通過6個接插件來連接電池模組內部，電池包配電盒還有車外的連接。
電池內配電盒：這個配電盒類似于混動配電盒，僅包含主正、主負、預充繼電器和預充電阻。
電流傳感器：電流傳感器是獨立安裝的。
圖5 LEAF內部模組連接示意圖
BMS的電路結構如下圖所示，可以看出采集48個模塊的96個通道的單體電壓，所以整個采樣部分密密麻麻。這樣的設計，是很難實現較大電流的被動均衡的算法，事實上，這里也沒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，這塊由于松下長期的技術演進倒是沒有什么意外的，這里需要注意的是，配電盒有著很強的噪聲抑制的設計要求。
圖7 2011和2013的配電盒對比
總的來看，以LEAF為代表的集中式電池管理系統，在電池系統的使用中有著很多的應用限制。
第三部分 分布式I3管理系統案例分析
典型的分布式架構，我們可以拿寶馬的系統來看，這套系統從BMW與A123合作Active Hybrid(3，5，7)系列車型就開始用了，后續在I3和I8的電池系統的電子系統中沿用。如圖是在2015年上海車展的均勝電子的展臺上拍到的CSC和BMU的實物照片，CSC的芯片一面被遮住了。
CSC 功能：模組側邊安裝，實現了單體電壓采集、電壓備份的功能和溫度采集。主要的芯片為LT6801和6802G-2，通過Freescale的單片機通過總線傳送出去了。
BMU 功能：這是非對稱結構的MCU布置，在BMU里面實現了絕緣測量、HVIL的功能。
S-Box 功能：這里是實現了繼電器、預充電阻、電流測量等一體化的設計。
圖8 分布式架構
由于CSC有足夠的空間來安置采集芯片、備份芯片、均衡電阻，所以即使系統在三防漆處理之后還可以實現56歐的均衡，散熱這塊的設計相對簡單一些。
CSC的功能安全設計也做了精心的考慮，采用CAN信號的光耦耦合輸出；同時內部采用運放比較器比較MCU處理過充信號和備份芯片的方式來獨立發送過充等功能安全信號。側邊安裝的方式，使得各種長方和正方的模塊設計顯得游刃有余，相比較而言，iMIEV和A3 PHEV的模組上方的設計對模組設計還是有一些限制的，如圖11所示。
圖9 2015年上海車展均勝電子展臺上的CSC模塊
圖10 車展上的BMU模塊照片
圖11 模組上方的CSC嵌入安裝方式
總的來看，電池系統模組化的趨勢比較明顯，分布式的CSC模塊直接安裝在模組上方，將電池采樣線設計進一步簡化。
第四部分 產品設計中的考慮
1)BMS的壽命設計對應的工作時間分析
傳統的汽車，其實本質上HEV的運行機理和傳統汽車一樣，我們可以將時間劃分為：a)上車之前的時間：從芯片廠家出來運輸到PCBA的組裝廠，成為部件產品，然后運送至整車企業組裝廠待上車b)運行時間，也就是開車的時間和c)非運行時間。
我們就按照SAEJ1211里面的兩個例子Door Module 8000小時工作時間 79600非工作時間(Sleep模式)和變速箱控制器 (6000小時/125400小時=131400小時)。對于BMS來說，HEV的情況下，也是一樣的，工作時間最高不超過8000小時就夠了。充電的車輛呢，問題來了，在引擎關閉的狀態下，還有個充電狀態。現在我們把估計重新調整一下，如果按照國外的壽命設計要求，15年的車輛預期壽命，可以初步估計為8000 小時 1.46小時每天的開車時間和10950～32850小時 2～6小時每天的充電時間。充電的時候，BMS部件都得工作啊，這個問題就變成了，不僅僅是開的里程多用的時間長的人對整個BMS系統的壽命形成重度的影響，充電慢的一樣。
那我們換一個角度來看，如果是在中國，一個客戶預期的壽命是8年，按照50KM的角度，一般需要配置12度電左右，我們再估算一下使用時間的分配。模式2 220V AC &8 A 輸入1.7KW 電池系統1.5KW 充電時間為8小時，模式3 220V AC&16 A
輸入3.3KW 電池系統3.0KW 充電時間為4小時=>5840 小時 2小時每天的開車時間+116800～23360小時 4～8小時每天的充電時間。
2)環境負荷分析
電池管理系統，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的電氣試驗和電氣要求都要有，又由于整個電池系統往底盤和車架上裝的趨勢很明顯，機械應力設計要求也不低。環境這塊，同樣是安裝條件的事情，如果電池包設計的好一些，可能壓力小一些。
a)環境設計要求
要有防水功能，這不僅包含電池包IP等級由于密封膠老化，也是考慮內部有凝露或者是內部冷卻液泄漏造成，電池系統進液體故障。考慮到中國的城市下水道問題，這個事情要比國外大城市使用更苛刻。
要有防鹽霧和濕熱功能，電池系統由于帶鹽分的空氣濕熱交變的凝露，產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度大于2000V，絕緣電阻大于10MΩ， 爬電距離滿足IEC要求。
EMC見下表
滿足電故障要求，電源反接、防電源短路、防對地短路、防過壓和防引腳短路。
圖12 普通電控單元負荷要求標準對應表
3)軟件系統設計
我對整個軟件系統的設計生疏一些。總的來看，BMS的核心價值不僅僅在相關算法上，離線的電池模型建立和電池壽命預測，也會對BMS內部的軟件系統產生很深刻的影響。這塊限于篇幅，這里不展開了，以后有機會再一一介紹。
全文小結
1)本文還是對乘用車用BMS做一些闡述，實際產品設計中整個設計是更嚴謹和細致的，這里更多的還是提一些概要。
2)電池管理系統的技術還是和電池模組設計和電池包的設計是強相關，目前處于演變快速階段，這些老的設計概念，也只能作為一個參考。(來源：第一電動網）
上一頁：
下一頁：
