淺談新能源汽車電池管理系統(tǒng)BMS開(kāi)發(fā)
時(shí)間:2018-10-30 17:23來(lái)源:電池工業(yè)網(wǎng) 作者:綜合報(bào)道
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電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)則是其中的核心，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。
國(guó)外公司BMS做的比較好的有聯(lián)電、大陸、德?tīng)柛！VL和FEV等等，現(xiàn)在基本上都是按照AUTOSAR架構(gòu)以及ISO26262功能安全的要求來(lái)做，軟件功能更多，可靠性和精度也較高。
國(guó)內(nèi)很多主機(jī)廠也都有自主開(kāi)發(fā)的BMS產(chǎn)品并應(yīng)用，前期在功能和性能上與國(guó)外一流公司相差甚遠(yuǎn)，但隨著國(guó)內(nèi)電池和BMS技術(shù)的快速發(fā)展差距正在逐步縮小，希望不久的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)成功追趕甚至超越。
BMS主要包括硬件、底層軟件和應(yīng)用層軟件三部分，下面就來(lái)給大家詳細(xì)介紹一下
硬件
1、功能
硬件的設(shè)計(jì)和具體選型要結(jié)合整車及電池系統(tǒng)的功能需求，通用的功能主要包括采集功能(如電壓、電流、溫度采集)、充電口檢測(cè)(CC和CC2)和充電喚醒(CP和A+)、繼電器控制及狀態(tài)診斷、絕緣檢測(cè)、高壓互鎖、碰撞檢測(cè)、CAN通訊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等要求。
2、架構(gòu)
BMS硬件架構(gòu)分為分布式和集中式：
(1)分布式包括主板和從板，可能一個(gè)電池模組配備一個(gè)從板，這樣的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是如果電池模組的單體數(shù)量少于12個(gè)會(huì)造成采樣通道浪費(fèi)(一般采樣芯片有12個(gè)通道)，或者2-3個(gè)從板采集所有電池模組，這種結(jié)構(gòu)一塊從板中具有多個(gè)采樣芯片，優(yōu)點(diǎn)是通道利用率較高，節(jié)省成本;
(2)集中式是將所有的電氣部件集中到一塊大的板子中，采樣芯片通道利用最高且采樣芯片與主芯片之間可以采用菊花鏈通訊，電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本大為降低，只是所有的采集線束都會(huì)連接到主板上，對(duì)BMS的安全性提出更大挑戰(zhàn)，并且菊花鏈通訊穩(wěn)定性方面也可能存在問(wèn)題。
3、通訊方式
采樣芯片和主芯片之間信息的傳遞有CAN通訊和菊花鏈通訊兩種方式，其中CAN通訊最為穩(wěn)定，但由于需要考慮電源芯片，隔離電路等成本較高，菊花鏈通訊實(shí)際上是SPI通訊，成本很低，穩(wěn)定性方面相對(duì)較差，但是隨著對(duì)成本控制壓力越來(lái)越大，很多廠家都在向菊花鏈的方式轉(zhuǎn)變，一般會(huì)采用2條甚至更多菊花鏈來(lái)增強(qiáng)通訊穩(wěn)定性。
4、結(jié)構(gòu)
BMS硬件包括電源IC、CPU、采樣IC、高驅(qū)IC、其他IC部件、隔離變壓器、RTC、EEPROM和CAN模塊等。其中CPU是核心部件，一般用的是英飛凌的TC系列，不同型號(hào)功能有所差異，對(duì)于AUTOSAR架構(gòu)的配置也不同。采樣IC廠家主要有凌特、美信、德州儀器等，包括采集單體電壓、模組溫度以及外圍配置均衡電路等。
底層軟件
按照AUTOSAR架構(gòu)劃分成許多通用功能模塊，減少對(duì)硬件的依賴，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同硬件的配置，而應(yīng)用層軟件變化較小。應(yīng)用層和底層需要確定好RTE接口，并且從靈活性方面考慮DEM(故障診斷事件管理)、DCM (故障診斷通信管理)、FIM(功能信息管理)和CAN通訊預(yù)留接口，由應(yīng)用層進(jìn)行配置。
應(yīng)用層軟件
軟件架構(gòu)主要包括高低壓管理、充電管理、狀態(tài)估算，均衡控制和故障管理等等。
1、高低壓管理
一般正常上電時(shí)，會(huì)由VCU通過(guò)硬線或CAN信號(hào)的12V來(lái)喚醒BMS，待BMS完成自檢及進(jìn)入待機(jī)后VCU發(fā)送上高壓指令，BMS控制閉合繼電器完成上高壓。下電時(shí)VCU發(fā)送下高壓指令后再斷開(kāi)喚醒12V。下電狀態(tài)插槍充電時(shí)可通過(guò)CP或A+信號(hào)喚醒。
2、充電管理
(1)慢充
慢充是由交流充電樁(或220V電源)通過(guò)車載充電機(jī)將交流轉(zhuǎn)化為直流給電池充電，充電樁規(guī)格一般有16A、32A和64A，也可通過(guò)家用電源進(jìn)行充電。可通過(guò)CC或CP信號(hào)喚醒BMS，但應(yīng)保證充電結(jié)束后能正常休眠。交流充電流程比較簡(jiǎn)單，按照國(guó)標(biāo)詳細(xì)規(guī)定開(kāi)發(fā)即可。
(2)快充
快充是由直流充電樁輸出直流給電池充電，可實(shí)現(xiàn)1C甚至更高倍率充電，一般45min可充進(jìn)80%電量。通過(guò)充電樁的輔助電源A+信號(hào)喚醒，國(guó)標(biāo)中快充流程比較復(fù)雜，同時(shí)存在2011和2015兩個(gè)版本，而且充電樁生產(chǎn)廠家對(duì)于國(guó)標(biāo)流程未明確的技術(shù)細(xì)節(jié)理解不同也給車輛充電適配性造成極大的挑戰(zhàn)，因此快充適配性是衡量BMS產(chǎn)品性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。
3、估算功能
(1)SOP(State Of Power)主要是通過(guò)溫度和SOC查表得到當(dāng)前電池的可用充放電功率，VCU根據(jù)發(fā)送的功率值決定當(dāng)前整車如何使用。需要兼顧考慮釋放電池能力和對(duì)電池性能進(jìn)行保護(hù)，比如在達(dá)到截止電壓前進(jìn)行部分功率限制，當(dāng)然這會(huì)對(duì)整車駕駛感受產(chǎn)生一定影響。
(2)SOH(State Of Health)主要表征當(dāng)前電池的健康狀態(tài)，為0-100%之間數(shù)值，一般認(rèn)為低于80%以后電池便不可再用。可以用電池容量或內(nèi)阻變化來(lái)表示，用容量時(shí)即通過(guò)電池運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)估算出當(dāng)前電池的實(shí)際容量，與額定容量的比值即為SOH。準(zhǔn)確的SOH會(huì)提高電池衰減時(shí)其他模塊的估算精度。
(3)SOC(State Of Charge)屬于BMS核心控制算法，表征當(dāng)前的剩余容量狀態(tài)，主要通過(guò)安時(shí)積分法和EKF(擴(kuò)展卡爾曼濾波)算法，并結(jié)合修正策略(如開(kāi)路電壓修正，充滿修正，充電末端修正，不同溫度及SOH下的容量修正等)。安時(shí)積分法在保證電流采集精度條件下比較可靠，但魯棒性不強(qiáng)，由于存在誤差累計(jì)必須結(jié)合修正策略，而EKF魯棒性較強(qiáng)，但算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。國(guó)內(nèi)主流廠家一般常溫可以做到精度6%以內(nèi)，在高低溫和電池衰減時(shí)的估算是難點(diǎn)。
(4)SOE(State Of Energy)算法國(guó)內(nèi)廠家現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的不多，或采用較為簡(jiǎn)單的算法，查表得到當(dāng)前狀態(tài)下剩余能量與最大可用能量的比值。該功能主要用于剩余續(xù)航里程估算。
4、故障診斷
針對(duì)電池的不同表現(xiàn)情況，區(qū)分為不同的故障等級(jí)，并且在不同故障等級(jí)情況下BMS和VCU都會(huì)采取不同的處理措施，警告，限功率或直接切斷高壓。故障包括數(shù)據(jù)采集及合理性故障、電氣故障(傳感器和執(zhí)行器)、通訊故障及電池狀態(tài)故障等。
5、均衡控制
均衡功能是為了消除在電池使用過(guò)程中產(chǎn)生的電池單體不一致性，根據(jù)木桶短板效應(yīng)，充電和放電時(shí)都是性能最差的單體先達(dá)到截止條件，其他的單體還有一部分能力并未釋放出來(lái)，造成電池浪費(fèi)。
均衡包括主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡是能量從多的單體向少的單體轉(zhuǎn)移，不會(huì)造成能量損失，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，對(duì)于電器元件要求也較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也低了很多，只是能量會(huì)以熱量的形式散發(fā)浪費(fèi)掉，一般最大均衡電流在100mA左右，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多廠家采用被動(dòng)均衡也都能實(shí)現(xiàn)較好的均衡效果。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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