全面解析电动汽车动力电池管理系统(基础篇)

朱玉龙

【第一电动网】(特约作者 朱玉龙)在保证电池系统安全的设计过程中,除了电池单体特性、电池模组设计、电池包的结构和排气设计以外,就要数电池管理系统最有主控性。这里想做一个系列文章,分别介绍电池管理系统的基础、乘用车管理系统、电动大巴管理系统和电池管理系统的发展四个部分,这是第一篇。

从镍氢电池开始,电池由于其本身的特性,需要电池管理系统来管理,它也是新能源汽车整体架构中的要素之一。从总体来看,电池管理系统的主要目的是测量电池状态、延长电池的使用寿命。电池管理系统的常见功能模块根据初步划分,也可以分为测量功能、状态计算功能、系统辅助功能和通信与诊断。

第一部分 测量功能

1)基本信息测量:电池电压,电流信号的监测,电池包温度的检测

电池管理系统有着最基本功能就是测量电池单体的电压,电流和温度,这是所有电池管理系统顶层计算、控制逻辑的基础 。如图1所示,电池管理系统目前从电池这里获取的直接物理参数就是只有电压、温度和电流。

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图1 电池管理单元概览

1.1单体电压测量和电压监控

单体的电压,对于电池管理系统有几种意义,一是可以用来累加获取整个电压,二是可以根据单体电压压差来判断单体差异性,三是可以用来检测单体的运行状态。单体的电压的采集和保护,目前都用ASIC来完成,而考虑采集电压的精度不仅仅需要考虑ASIC电路本身的精度,也需要考虑单体电压采样线束、线束保护用熔丝、均衡状态等多项内容。由于对电压采集精度的敏感度,与电池化学体系和SOC范围(SOC两端的需求往往较高)都有关系,实际上的ASIC采集得到的电压数据需要经过还原成接近电池本身的电压。

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图2 单体采集电路模型

1.2 电池包电压测量

在后续计算SOC的时候,往往会用电池组的总电压来核算,这是计算电池包参数重要参量之一;如果由单体电压累加计量而成本身电池单体电压采样有一定的时间差异性,也没办法与电池传感器的数据实现精确对齐,因此往往采集电池包电压来作为主参数来进行运算。在诊断继电器的时候,是需要电池包内外电压一起比较的,所以这里一般测量电池包电压至少有两路V0和V1,如图3所示。

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图3 BMS高压采集

由于这里牵涉到了高压采集,需要进行隔离,所以一般的办法有两种,光隔如AVGAO的芯片方案或者通过电阻分压,然后配置工作点,再加上汽车级运放所组成的仪表运放电路,如下图4所示。

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图4 三运放组成的仪表运放

1.3电池温度

温度对电池的参数有着很大的意义,这里也是引起争议的地方。在设计电池和模组的时候,电池内外的温度差异、电池极耳和母线焊接处、模组内电池温度差异和电池包内最大温度差,这些参数在设计整个电池包的时候都是属于已经进行先期控制了。BMS在设计温度传感器的放置点,以及放置多少温度点和最后采集得到的温度点表征整个电池包的运行情况,这里并不是BMS能管理的范畴。温度检测的精度也是颇有讲究的,如在-40度的时候,检测精度不需要特别高,因为使用电池系统本身就需要加热,而在-10度~10度对电池性能有重大影响的区域,还有40度高温临近点,这些都是需要重点关心的区域。在设计的过程中,可以用上拉电阻、滤波电阻和温度传感器的本身的数值进行蒙特卡罗分析。

需要注意的是,在一个电池包内放置太多的温度传感器并不是好主意,有了太多不仅涉及到诊断问题,而且通过分析需要选取较多的高精度电阻,于成本无益。目前ASIC电路也会将温度采集的功能涵盖进去。

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图5 温度采集电路

1.4电池包流体温度检测

电池管理系统在整个电池包热控制里面,一般的作用是汇报温度,以及流体入口和出口的温度,检测电路与单体检测类似。

1.5 电流测量

电池包的往往仅在单体这一层级做并联(最极端的是特斯拉的小电池的75个并联),电池包内的单体串联给整车提供电能,所以一般只需要测量一个电流。电流测量手段主要分两种智能分流器或霍尔电流传感器。由于电池系统需要处理的电流数值,往往瞬时很大,比如车辆加速所需要的放电电流和能量回收时候的充电电流,因此评估测量电池包的输出电流(放电)和输入电流(充电)的量程和精度,这是一件需要仔细检查的工作。电流是引起单体温度变化的主要原因,作用在内阻和化学发热一起构成了电池发热;电流变化的时候也会引起电压的变化,与时间一起,这三项是核算电池状态的必备元素。

霍尔传感器一开始日系混合动力车上用的较多,现在慢慢有智能的分流器完成电压和电流的采样,通过串行总线传输,甚至可以在里面实现SOC的估算。

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图6 两种电流传感器

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