車(chē)積分并行管理的大背景下，大量車(chē)企都推出了新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)上市計(jì)劃，并且要持續(xù)上量。為了滿(mǎn)足這一系列的計(jì)劃，在PHEV(含EREV)、EV這幾個(gè)領(lǐng)域里面，汽車(chē)企業(yè)需要用不同的新能源車(chē)輛組合去合乎政策規(guī)范、順應(yīng)市場(chǎng)需求并迎合消費(fèi)者，這就需要對(duì)車(chē)型的核心指標(biāo)(續(xù)航里程、百公里加速和充電速度)進(jìn)行一些動(dòng)態(tài)的配置和管理，并能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)可能的電池供應(yīng)商的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過(guò)程里面，我們細(xì)致地來(lái)談一談做電池管理系統(tǒng)的價(jià)值，還有如何去做電池管理系統(tǒng)。
第一部分 模組化供應(yīng)
簡(jiǎn)單而言，隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)也可能與德國(guó)VDA一樣，推出汽車(chē)用鋰電池標(biāo)準(zhǔn)，電池單體和模組的標(biāo)準(zhǔn)化勢(shì)在必行。通過(guò)對(duì)電池單體的串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的方式，確保電池模塊統(tǒng)一尺寸，并綜合考慮電池本體的機(jī)械特性、熱特性以及安全特性。在安裝設(shè)計(jì)不變的情況下，根據(jù)不同的續(xù)航里程和動(dòng)力要求，提供不同電池容量，以滿(mǎn)足不同的需求。這種模塊化應(yīng)用，在單體、模組端都可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，大幅降低生產(chǎn)成本，這就使得整個(gè)電池企業(yè)的供應(yīng)都以模組為最小單元。
模組化供應(yīng)改變了原來(lái)的電池企業(yè)的構(gòu)建方式，原來(lái)供應(yīng)電池單體，車(chē)企需要從單體開(kāi)始構(gòu)建，整個(gè)BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都要根據(jù)電池大小來(lái)權(quán)衡選擇，而在供應(yīng)模組條件下，基本單元就變成了模組小總成。
在這個(gè)過(guò)程中，下一步的集成電池模塊，則比傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)模塊容納更大容量電池組。以往電池模塊一般由 12 個(gè)容量為 2-3kWh 電池組組成，現(xiàn)在開(kāi)始往能容納 24 個(gè)單體的 6-8kWh 電池組轉(zhuǎn)向。這將在同樣的電池空間內(nèi)，提高電池容量，有效增加電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航。
圖1 PHEV和EV 模組
軟包的基本情況也是類(lèi)似的，也開(kāi)始往這個(gè)方向發(fā)展。
圖2 軟包的模組
如圖3所示，模組里面都是內(nèi)嵌了LECU的功能，基本把模組溫度采集和單體電壓采集和電壓保護(hù)給做掉了。
單體電壓測(cè)量和電壓監(jiān)控：?jiǎn)误w的電壓的采集和保護(hù)，這個(gè)功能是下放到底層的。這里分為：
采集單體電壓：精度會(huì)影響單體差異性的比較
過(guò)壓和欠壓的判別：這里也是在底下可以完成的邏輯功能
校驗(yàn)：通過(guò)單體累加和模組電壓的判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)功能的診斷處理
電池溫度：現(xiàn)在通常在一個(gè)模組內(nèi)放置2-4個(gè)溫度點(diǎn)來(lái)采集母線焊接溫度、模組內(nèi)電池溫度差異
通信和信號(hào)：把溫度、電壓信息傳送出去，還有把基本的單體過(guò)壓欠壓發(fā)送出去
均衡的實(shí)際控制：主要包含實(shí)際的電路
圖3 LECU及其基本功能
第二部分 電池管理功能
如前所述，由于供應(yīng)模式的改變，電池管理功能也就需要匹配整個(gè)電池系統(tǒng)，底層的基本部件變成了模組。這里汽車(chē)企業(yè)面臨的課題是：
整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的需求差異：根據(jù)不同車(chē)輛的實(shí)際構(gòu)型的需求，對(duì)電池的放電能力和功率特性有不同的要求
充電特性：根據(jù)使用的實(shí)際情況，可以對(duì)充電的特殊需要做定制
區(qū)域使用特性：根據(jù)車(chē)輛使用區(qū)域環(huán)境的不同，甚至需要對(duì)不同的熱管理特性進(jìn)行配置
模組的差異，可能根據(jù)整車(chē)的需求不同，需要對(duì)單體的化學(xué)體系進(jìn)行切換
圖4 高壓系統(tǒng)架構(gòu)
這樣一來(lái)，整車(chē)企業(yè)對(duì)BMS的掌控需求就很明顯了：
圖5 電池管理系統(tǒng)內(nèi)核
這里就區(qū)分成“可變部分”和“不可變部分”,其中共性的部分有：
1)電池參數(shù)檢測(cè)：包括總電壓、總電流、絕緣檢測(cè)(監(jiān)測(cè)漏電)、碰撞檢測(cè)等。
總電壓測(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(méi)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，需要電池包內(nèi)外電壓一起比較。
總電流測(cè)量：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(chē)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)的需要一定的量程和精度。
絕緣電阻檢測(cè)：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。也可以采用主動(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。
高壓互鎖檢測(cè)(HVIL)：用來(lái)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)(可以分為放電回路和充電回路兩個(gè)部分)的完整性，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需要啟動(dòng)安全措施了。
SOC和SOH估計(jì):包括荷電狀態(tài)(SOC)或放電深度 (DOD)、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)、故障及安全狀態(tài)(SOS)等
2)故障診斷和容錯(cuò)運(yùn)行
故障檢測(cè)是指通過(guò)分析采集到的傳感器信號(hào)，采用診斷算法來(lái)診斷故障類(lèi)型，并進(jìn)行早期預(yù)警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障(如接觸器、風(fēng)扇、泵、加熱器等)，以及網(wǎng)絡(luò)故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過(guò)壓(過(guò)充)、欠壓(過(guò)放)、過(guò)電流、超高溫、內(nèi)短路故障、接頭松動(dòng)、電解液泄漏、絕緣降低等。
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(pán)當(dāng)中的指示燈，在新能源汽車(chē)中電池故障也有相應(yīng)的指示燈來(lái)提醒駕駛員。由于電池存在一定的危險(xiǎn)性，往往需要車(chē)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。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(chē)控制器直接切斷以后，車(chē)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，并做出相應(yīng)的容錯(cuò)控制。
Fail-Safe的容錯(cuò)運(yùn)行機(jī)制，是指車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中遇到錯(cuò)誤之后，車(chē)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。這一機(jī)制包括故障檢測(cè)、故障類(lèi)型判斷、故障定位、故障信息輸出等。
3)繼電器控制
控制電池包內(nèi)一般有多繼電器系統(tǒng)，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(chē)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(kāi)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(kāi)的狀態(tài)以及開(kāi)關(guān)的順序都很重要。
可變的部分:
1)熱管理：
需要檢測(cè)電池包熱管理系統(tǒng)的溫度參量(流體入口和出口的溫度)，檢測(cè)電路與單體檢測(cè)類(lèi)似。根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動(dòng)加熱/散熱的強(qiáng)度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發(fā)揮電池的性能。
熱控制：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(chē)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，這里核心的就是選擇不同的熱管理的外部方式，然后通過(guò)內(nèi)部的管理策略保證溫度的閾值可用。
圖6 液冷和風(fēng)冷共用一套基礎(chǔ)的BMU系統(tǒng)
2)充電控制
原來(lái)的電池管理系統(tǒng)的一種主要模式是監(jiān)控電池系統(tǒng)在充電過(guò)程中的需求，負(fù)責(zé)整個(gè)電池系統(tǒng)的電流輸入，包含常規(guī)充電和能量回收的管控?，F(xiàn)在可變的部分是面向快充的設(shè)計(jì)，由于消費(fèi)者的需求和實(shí)際的情況，這個(gè)地方也是處在挺高的變化區(qū)域。
3)均衡管理：
串聯(lián)的電池包在實(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。
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
電池包內(nèi)隨著時(shí)間的變化，電池的單體容量、單體內(nèi)阻、單體自放電都會(huì)產(chǎn)生差異
客戶(hù)使用：充電時(shí)間、放電時(shí)間
外部環(huán)境：同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電
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。
實(shí)際電池容量出現(xiàn)較大變化的時(shí)候，使得均衡能力定死的情況下，BMU上端需要給出不同的策略。
所以，未來(lái)可能的變化是，電池管理系統(tǒng)形成下端和上端的分離，為了大量上項(xiàng)目，節(jié)約管理和變更管理，汽車(chē)廠內(nèi)需要形成甲方中的乙方，專(zhuān)門(mén)做系統(tǒng)軟件的那部分，來(lái)負(fù)責(zé)整個(gè)電池系統(tǒng)管理的核心算法和配置過(guò)程，他們負(fù)責(zé)設(shè)置電池的保護(hù)和使用閾值，對(duì)整個(gè)車(chē)輛的可用性和售后負(fù)責(zé)。整個(gè)BMS管理的硬件，倒是和車(chē)企也沒(méi)有關(guān)系，這里需要非常好的軟硬件接口文件，否則極易出錯(cuò)。我們未來(lái)掌控的事也挺有限的。
