在保證電池系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了電池單體特性、電池模組設(shè)計(jì)、電池包的結(jié)構(gòu)和排氣設(shè)計(jì)以外，就要數(shù)電池管理系統(tǒng)最有主控性。本編文章主要是介紹電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
從鎳氫電池開始，電池由于其本身的特性，需要電池管理系統(tǒng)來(lái)管理，它也是新能源汽車整體架構(gòu)中的要素之一。從總體來(lái)看，電池管理系統(tǒng)的主要目的是測(cè)量電池狀態(tài)、延長(zhǎng)電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)的常見功能模塊根據(jù)初步劃分，也可以分為測(cè)量功能、狀態(tài)計(jì)算功能、系統(tǒng)輔助功能和通信與診斷。
第一部分 測(cè)量功能
1、 基本信息測(cè)量：電池電壓，電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)，電池包溫度的檢測(cè)
電池管理系統(tǒng)有著最基本功能就是測(cè)量電池單體的電壓，電流和溫度，這是所有電池管理系統(tǒng)頂層計(jì)算、控制邏輯的基礎(chǔ)。如圖1所示，電池管理系統(tǒng)目前從電池這里獲取的直接物理參數(shù)就是只有電壓、溫度和電流。
圖1 電池管理單元概覽
1.1 單體電壓測(cè)量和電壓監(jiān)控單體的電壓，對(duì)于電池管理系統(tǒng)有幾種意義，一是可以用來(lái)累加獲取整個(gè)電壓，二是可以根據(jù)單體電壓壓差來(lái)判斷單體差異性，三是可以用來(lái)檢測(cè)單體的運(yùn)行狀態(tài)。單體的電壓的采集和保護(hù)，目前都用ASIC來(lái)完成，而考慮采集電壓的精度不僅僅需要考慮ASIC電路本身的精度，也需要考慮單體電壓采樣線束、線束保護(hù)用熔絲、均衡狀態(tài)等多項(xiàng)內(nèi)容。由于對(duì)電壓采集精度的敏感度，與電池化學(xué)體系和SOC范圍(SOC兩端的需求往往較高)都有關(guān)系，實(shí)際上的ASIC采集得到的電壓數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)還原成接近電池本身的電壓。
圖2 單體采集電路模型
1.2 電池包電壓測(cè)量在后續(xù)計(jì)算SOC的時(shí)候，往往會(huì)用電池組的總電壓來(lái)核算，這是計(jì)算電池包參數(shù)重要參量之一；如果由單體電壓累加計(jì)量而成本身電池單體電壓采樣有一定的時(shí)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(duì)齊，因此往往采集電池包電壓來(lái)作為主參數(shù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。在診斷繼電器的時(shí)候，是需要電池包內(nèi)外電壓一起比較的，所以這里一般測(cè)量電池包電壓至少有兩路V0和V1，如圖3所示。
圖3 BMS高壓采集
由于這里牽涉到了高壓采集，需要進(jìn)行隔離，所以一般的辦法有兩種，光隔如AVGAO的芯片方案或者通過(guò)電阻分壓，然后配置工作點(diǎn)，再加上汽車級(jí)運(yùn)放所組成的儀表運(yùn)放電路，如下圖4所示。
圖4 三運(yùn)放組成的儀表運(yùn)放
1.3 電池溫度溫度對(duì)電池的參數(shù)有著很大的意義，這里也是引起爭(zhēng)議的地方。在設(shè)計(jì)電池和模組的時(shí)候，電池內(nèi)外的溫度差異、電池極耳和母線焊接處、模組內(nèi)電池溫度差異和電池包內(nèi)最大溫度差，這些參數(shù)在設(shè)計(jì)整個(gè)電池包的時(shí)候都是屬于已經(jīng)進(jìn)行先期控制了。BMS在設(shè)計(jì)溫度傳感器的放置點(diǎn)，以及放置多少溫度點(diǎn)和最后采集得到的溫度點(diǎn)表征整個(gè)電池包的運(yùn)行情況，這里并不是BMS能管理的范疇。溫度檢測(cè)的精度也是頗有講究的，如在-40度的時(shí)候，檢測(cè)精度不需要特別高，因?yàn)槭褂秒姵叵到y(tǒng)本身就需要加熱，而在-10度～10度對(duì)電池性能有重大影響的區(qū)域，還有40度高溫臨近點(diǎn)，這些都是需要重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以用上拉電阻、濾波電阻和溫度傳感器的本身的數(shù)值進(jìn)行蒙特卡羅分析。
需要注意的是，在一個(gè)電池包內(nèi)放置太多的溫度傳感器并不是好主意，有了太多不僅涉及到診斷問(wèn)題，而且通過(guò)分析需要選取較多的高精度電阻，于成本無(wú)益。目前ASIC電路也會(huì)將溫度采集的功能涵蓋進(jìn)去。
圖5 溫度采集電路
1.4 電池包流體溫度檢測(cè)電池管理系統(tǒng)在整個(gè)電池包熱控制里面，一般的作用是匯報(bào)溫度，以及流體入口和出口的溫度，檢測(cè)電路與單體檢測(cè)類似。
1.5 電流測(cè)量
電池包的往往僅在單體這一層級(jí)做并聯(lián)(最極端的是特斯拉的小電池的75個(gè)并聯(lián))，電池包內(nèi)的單體串聯(lián)給整車提供電能，所以一般只需要測(cè)量一個(gè)電流。電流測(cè)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(shí)很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時(shí)候的充電電流，因此評(píng)估測(cè)量電池包的輸出電流(放電)和輸入電流(充電)的量程和精度，這是一件需要仔細(xì)檢查的工作。電流是引起單體溫度變化的主要原因，作用在內(nèi)阻和化學(xué)發(fā)熱一起構(gòu)成了電池發(fā)熱；電流變化的時(shí)候也會(huì)引起電壓的變化，與時(shí)間一起，這三項(xiàng)是核算電池狀態(tài)的必備元素。
霍爾傳感器一開始日系混合動(dòng)力車上用的較多，現(xiàn)在慢慢有智能的分流器完成電壓和電流的采樣，通過(guò)串行總線傳輸，甚至可以在里面實(shí)現(xiàn)SOC的估算。
圖6 兩種電流傳感器
2、絕緣電阻檢測(cè)電池管理系統(tǒng)內(nèi)，一般需要對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，比較簡(jiǎn)單的是依靠電橋來(lái)測(cè)量總線正極和負(fù)極對(duì)地線的絕緣電阻。現(xiàn)在在電池包里面用的比較多的是主動(dòng)信號(hào)注入，主要是可以檢測(cè)電池單體對(duì)系統(tǒng)的絕緣電阻。
圖7 被動(dòng)絕緣檢測(cè)
3、高壓互鎖檢測(cè)(HVIL)高壓互鎖的目的是，用來(lái)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)的完整性的，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需要啟動(dòng)安全措施了。
a)HVIL的存在，可以使得在高壓總線上電之前，就知道整個(gè)系統(tǒng)的完整性，也就是說(shuō)在電池系統(tǒng)主、負(fù)繼電器閉合給電之前就防患于未然
b)HVIL的存在，是需要整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的，主要通過(guò)連接器的低壓連接回路上完成的，電池管理單元一般需要提供電路的檢測(cè)回路。
HVIL源有三種不同的方式，5V、12V和PWM波。
這里的電路很大的一塊是有ASIC完成的，下圖8表征了不同ASIC電路。
圖8 ASIC電路的發(fā)展
[pagebreak] 第二部分 狀態(tài)估計(jì)功能1、SOC和SOH估計(jì)
電池系統(tǒng)中最核心也是最難的一部分就是SOC和SOH的估計(jì)。SOC估算常見的有安時(shí)積分法(SOCI)，和開路電壓標(biāo)定法(SOCV)，安時(shí)積分最大的問(wèn)題是隨著時(shí)間的推移誤差會(huì)越來(lái)越大，開路電壓標(biāo)定的問(wèn)題是，電池需要在靜置很長(zhǎng)時(shí)間以后的開路電壓對(duì)應(yīng)的SOC才是準(zhǔn)確的，汽車在行駛的時(shí)候采集的電壓用來(lái)標(biāo)定SOC那是不準(zhǔn)確的。實(shí)際的使用中，一般以SOCV為主用SOCI，在實(shí)際使用中也在用一定的卡爾曼濾波法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來(lái)提高SOC的計(jì)算，但是限于MCU的運(yùn)算速度和能力，整個(gè)算法的復(fù)雜度是有限制的。
圖9 SOC和SOH估算
2、均衡一個(gè)串聯(lián)的電池包，由于電池和電池管理的原因，總是會(huì)出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。在實(shí)際使用過(guò)程中，每個(gè)串聯(lián)的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過(guò)放電和過(guò)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(shuō)，單個(gè)電池的限制，就會(huì)影響到整個(gè)電池。這里不等于單個(gè)超限，就等于整個(gè)不安全，而是那個(gè)單體電池會(huì)受到損害，進(jìn)行出現(xiàn)持久性的問(wèn)題。
（1）電池包內(nèi)各個(gè)單體電池之間的個(gè)體差異：?jiǎn)误w容量差異、單體內(nèi)阻差異、單體自放電差異、工作時(shí)候電流差異和休眠時(shí)候電流差異
（2）電池包內(nèi)隨著時(shí)間變化：?jiǎn)误w容量差異、單體內(nèi)阻差異、單體自放電差異
（3）客戶使用充電時(shí)間、放電時(shí)間
（4）外部環(huán)境同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電
（5）系統(tǒng)相互影響：BMS的工作狀況，這個(gè)因素和BMS的工作狀態(tài)有關(guān)系。
當(dāng)然接下來(lái)我們需要選擇均衡的方法，主要包括硬件拓?fù)浜途馑惴▋刹糠郑谄囆袠I(yè)應(yīng)用中，我們還有可靠性、成本和安全等幾方面的限制。
圖10 均衡的方式
3、電池功率限制新能源汽車中的電池容量是不同的，鋰電池系統(tǒng)為整車特別是電機(jī)提供能量，需要滿足電機(jī)的功率要求。而一定容量的電池電池在不同的SOC，不同的溫度下，其輸入和輸出的功率是有一定限制的。實(shí)際的運(yùn)行中，混合動(dòng)力電池包SOC窗口開的很小，純電動(dòng)汽車用的非常寬，用完就結(jié)束使用，而插電式混合動(dòng)力在電池耗盡的時(shí)候，則需要考慮輸出功率的限制。電池管理系統(tǒng)需要發(fā)送給整車控制器一個(gè)功率限制參數(shù)，這是根據(jù)一個(gè)三維表核算出來(lái)，包含溫度、SOC、電池容量，如圖11所示。
圖11 SOC控制表
[pagebreak] 第三部分 輔助系統(tǒng)功能這部分的功能，一般電池管理系統(tǒng)是做輔助使用的，往往與整車控制系統(tǒng)或者其他相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合使用。
1、繼電器控制
電池包內(nèi)一般有多個(gè)繼電器，電池管理系統(tǒng)至少要完成對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)供給和狀態(tài)檢測(cè)，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(hào)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(duì)整個(gè)電流分配做個(gè)更細(xì)致的保護(hù)。對(duì)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。
2、熱控制
如前所述，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(duì)于電池系統(tǒng)的溫度控制主要用到CFD仿真分析，如前所述的溫度傳感器這一單元，如何使用最少的傳感器來(lái)有效的監(jiān)測(cè)整個(gè)電池包的溫度分布，并將監(jiān)測(cè)信息反饋給電池管理系統(tǒng)和整個(gè)電池溫度管理系統(tǒng)。如圖12，電池模組的熱分析結(jié)果，圖13為某液冷系統(tǒng)的，整車和電池系統(tǒng)的散熱和加熱系統(tǒng)。
圖12 某模組熱分析結(jié)果
圖13 電池系統(tǒng)熱控制
3、充電控制電池管理系統(tǒng)的一種主要模式是監(jiān)控電池系統(tǒng)在充電過(guò)程中的電池的需求。在交流系統(tǒng)中，BMS需要實(shí)現(xiàn)PWM的控制導(dǎo)引電路的交互；在直流充電過(guò)程中，特別需要注意在較高SOC下允許充電的電流。在國(guó)標(biāo)系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)被要求直接與外部建立通信，交互充電過(guò)程中的信息。理論上說(shuō)，這塊功能的設(shè)計(jì)，可以遷移到不同的模塊上，否則電池管理系統(tǒng)的睡眠喚醒機(jī)制就會(huì)顯得有些復(fù)雜。
[pagebreak] 第四部分 通信與故障診斷1、通信功能
電池管理系統(tǒng)，至少需要給整車控制器發(fā)送電池系統(tǒng)的相關(guān)信息；在有直流充電的系統(tǒng)之中，特別是在國(guó)標(biāo)系統(tǒng)中需要直接與外部直流充電樁進(jìn)行通信。在某些時(shí)候，可能還有一條備份的診斷和刷新的通信線，用來(lái)在主通信失效的情況下做數(shù)據(jù)傳輸。
2、故障診斷和容錯(cuò)運(yùn)行
故障診斷及容錯(cuò)控制在任何控制器當(dāng)中都是非常重要的部分，電池管理單元的故障會(huì)也需要以故障碼(DTC)來(lái)進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)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(lái)提醒駕駛員。由于電池的危險(xiǎn)性，往往需要車聯(lián)系統(tǒng)直接進(jìn)行信息傳送，以應(yīng)對(duì)突然出現(xiàn)的事故處理。比如當(dāng)發(fā)生事故的時(shí)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(guò)定位和預(yù)警來(lái)處理，特別是電池放電。故障診斷包括對(duì)電池單體電壓，電池包電壓，電流，電池包溫度測(cè)量電路的故障進(jìn)行診斷，確定故障位置和故障級(jí)別，并作出相應(yīng)的容錯(cuò)控制。
Fail-Safe的容錯(cuò)運(yùn)行機(jī)制，是指車輛在運(yùn)行過(guò)程中遇到錯(cuò)誤之后，車輛進(jìn)行的降級(jí)運(yùn)行處理。事實(shí)上，這個(gè)功能更像是對(duì)以上所有功能降級(jí)和備份。
