电动乘用车集中式和分布式电池管理系统分析

朱玉龙

【第一电动网】(特约作者 朱玉龙)由于汽车电气化的水平发展,乘用车用电池管理系统,未来可以在低压启动电池(12V&48V)和高压HEV电池(1kwh~1.5kwh)和PHEV电池(4~18kwh)和BEV电池(20~85kwh)等电池系统里面看得到。低压系统和高压系统差异很大。电池系统差异在各个车厂和各个应用平台之间都比较大,各个企业有自己的风格,本文主要通过对不同厂家的产品做资料分析,根据各个车厂未来应用的内部的电池管理系统按照目前的模块化策略,来整合分析电池管理系统。应该说未来各家车厂设计理念的演变,使得高压电池系统是有一定的相似性的,这里主要叙述高压电池包里面的电池管理系统的一些情况。整篇文章将涵盖电池管理系统结构、集中式管理系统案例分析、分布式管理案例分析和产品设计的几点考虑几个部分。限于本人的水平和对案例的认知有限,难免有些偏差或者错误,在这里仅是抛砖引玉,请各位读者海涵。

第一部分 电池管理系统结构

电池管理系统有三种不同的构型,我们可以称为集中式管理系统、半分布式管理系统和分布式管理系统。

1)集中式管理系统(大BMS方式):这种管理架构,是将所有的采集单体电压&电压备份和温度的单元全部集中在一块BMS板上,由整车控制器直接控制继电器控制盒。大部分低压的HEV都是这样的结构,PHEV和EV典型的应用如LEAF、Cmax等。这样做的优点,是相对而言比较简单,成本较低,由于采集备份在同一块板上,之间的通信也简化了。缺点当然是很明显的,单体采样的线束比较长,导致采样导线的设计较为复杂,长线和短线在均衡的时候导致额外的电压压降;整个包的线束排布也比较麻烦一些,整块BMS所能支持的最高的通道也是有限的。这种方式成本低,但是适用性也比较差,性能有些地方没法保证,只能适用于较小的电池包。

2)分布式管理系统(BMU+多个CSC方式):这种是将电池模组(模组和CSC一配一的方式)的功能独立分离,整个系统形成了CSC(单体管理单元)、BMU(电池管理控制器)、S-Box继电器控制器和整车控制器,三层两个网络的形式。典型的应用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。优点是可以将模组装配过程简化,采样线束固定起来相对容易,线束距离均匀,不存在压降不一的问题;如后面分析的那样,当电池包大了以后,这种模式就很有优势了。缺点是成本较高,如3所示,需要额外的MCU,独立的CAN总线支持将各个模块的信息整合发送给BMS,总线的电压信息对齐设计也相对复杂。这种方案系统成本最高,但是移植起来最方便,属于单价高开发成本低的典型,电池包可大可小。

3)半分布式管理系统(BMU+少量大CSC方式):简单一些来说,这就是两种模式的妥协,主要用于模组排布比较奇特的包上,典型的应用如Smart ED和Volt。这是一种是将电池管理的子单元做的大一些,采集较多的单体通道,这样做的好处是整个系统的部件较少,但是需要注意的是这种方式优势不太明显,主要是部件不少而且功能集中度也高一些,是三种方案里面成本较高的方案。

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图1 三种电池管理系统架构

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图2 部分主流车辆的管理系统划分

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图3 分布式和集中式架构基本对比

可以说,如果将整车控制和电池管理系统的放在一起来看的话,整个功能分配会更加完整一些。当功能进行划分完毕之后,我们可以进一步对各个部件进行硬件和软件的定义。总的趋势变化:

a)BMS+BMU 单元肯定会保留功能

· 单体相关的功能(电压、温度测量和备份、均衡)

· SOx的算法和功率限制

· 对VCU的通信

· 自身的诊断和少量的记录

·绝缘检测

b)可能转移至配电盒转移的功能

· 高压测量

· 继电器控制和诊断

· 电流测量

c)可能转移至整车控制器的功能

· 充电控制

· 热管理控制

典型的功能分配可以如下图4所示。

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图4 三种模式的功能分配案例

第二部分 集中式LEAF管理系统案例分析

日产的工程师采取了传统集中式的典型布置,这是技术演进的结果(日产从上世纪90年代开始陆续测试试验车Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini),更像是对原有的HEV电池包进行优化。在整个模块里面,所有的模组都是由BMS直接采集并采用传统的配电盒处理。

BMS功能:安装在24个模块的侧边,通过6个接插件来连接电池模组内部,电池包配电盒还有车外的连接。

电池内配电盒:这个配电盒类似于混动配电盒,仅包含主正、主负、预充继电器和预充电阻。

电流传感器:电流传感器是独立安装的。

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图5 LEAF内部模组连接示意图

BMS的电路结构如下图所示,可以看出采集48个模块的96个通道的单体电压,所以整个采样部分密密麻麻。这样的设计,是很难实现较大电流的被动均衡的算法,事实上,这里也没有采取很大的电阻做法。

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图6 LEAF BMS控制器概览

用了松下的继电器,这块由于松下长期的技术演进倒是没有什么意外的,这里需要注意的是,配电盒有着很强的噪声抑制的设计要求。

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图7 2011和2013的配电盒对比

总的来看,以LEAF为代表的集中式电池管理系统,在电池系统的使用中有着很多的应用限制。

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