在保證電池系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)過程中，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。這里想做一個系列文章，分別介紹電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)、乘用車管理系統(tǒng)、電動大巴管理系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的發(fā)展四個部分，這是第一篇。
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。從總體來看，電池管理系統(tǒng)的主要目的是測量電池狀態(tài)、延長電池的使用壽命。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 測量功能
1)基本信息測量：電池電壓，電流信號的監(jiān)測，電池包溫度的檢測
電池管理系統(tǒng)有著最基本功能就是測量電池單體的電壓，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單體電壓測量和電壓監(jiān)控
單體的電壓，對于電池管理系統(tǒng)有幾種意義，一是可以用來累加獲取整個電壓，二是可以根據(jù)單體電壓壓差來判斷單體差異性，三是可以用來檢測單體的運(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 電池包電壓測量
在后續(xù)計(jì)算SOC的時候，往往會用電池組的總電壓來核算，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)精確對齊，因此往往采集電池包電壓來作為主參數(shù)來進(jìn)行運(yùn)算。在診斷繼電器的時候，是需要電池包內(nèi)外電壓一起比較的，所以這里一般測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電阻分壓，然后配置工作點(diǎn)，再加上汽車級運(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
溫度對電池的參數(shù)有著很大的意義，這里也是引起爭議的地方。在設(shè)計(jì)電池和模組的時候，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)整個電池包的時候都是屬于已經(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。溫度檢測的精度也是頗有講究的，如在-40度的時候，檢測精度不需要特別高，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題，而且通過分析需要選取較多的高精度電阻，于成本無益。目前ASIC電路也會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
電池管理系統(tǒng)在整個電池包熱控制里面，一般的作用是匯報溫度，以及流體入口和出口的溫度，檢測電路與單體檢測類似。
1.5 電流測量
電池包的往往僅在單體這一層級做并聯(lián)(最極端的是特斯拉的小電池的75個并聯(lián))，電池包內(nèi)的單體串聯(lián)給整車提供電能，所以一般只需要測量一個電流。電流測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，往往瞬時很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時候的充電電流，因此評估測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；電流變化的時候也會引起電壓的變化，與時間一起，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
電池管理系統(tǒng)內(nèi)，一般需要對整個電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測，比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負(fù)極對地線的絕緣電阻?，F(xiàn)在在電池包里面用的比較多的是主動信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統(tǒng)的絕緣電阻。
圖7 被動絕緣檢測
3)高壓互鎖檢測(HVIL)
高壓互鎖的目的是，用來確認(rèn)整個高壓系統(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候，就需要啟動安全措施了。
a) HVIL的存在，可以使得在高壓總線上電之前，就知道整個系統(tǒng)的完整性，也就是說在電池系統(tǒng)主、負(fù)繼電器閉合給電之前就防患于未然
b) HVIL的存在，是需要整個系統(tǒng)構(gòu)成的，主要通過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
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估算常見的有安時積分法(SOCI)，和開路電壓標(biāo)定法(SOCV)，安時積分最大的問題是隨著時間的推移誤差會越來越大，開路電壓標(biāo)定的問題是，電池需要在靜置很長時間以后的開路電壓對應(yīng)的SOC才是準(zhǔn)確的，汽車在行駛的時候采集的電壓用來標(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)法來提高SOC的計(jì)算，但是限于MCU的運(yùn)算速度和能力，整個算法的復(fù)雜度是有限制的。
圖9 SOC和SOH估算
2)均衡
一個串聯(lián)的電池包，由于電池和電池管理的原因，總是會出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。在實(shí)際使用過程中，每個串聯(lián)的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過放電和過充電的限制，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，單個電池的限制，就會影響到整個電池。這里不等于單個超限，就等于整個不安全，而是那個單體電池會受到損害，進(jìn)行出現(xiàn)持久性的問題。
1.電池包內(nèi)各個單體電池之間的個體差異：單體容量差異、單體內(nèi)阻差異、單體自放電差異、工作時候電流差異和休眠時候電流差異
2.電池包內(nèi)隨著時間變化：單體容量差異、單體內(nèi)阻差異、單體自放電差異
3.客戶使用 充電時間、放電時間
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，這個因素和BMS的工作狀態(tài)有關(guān)系。
當(dāng)然接下來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?，在汽車行業(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，混合動力電池包SOC窗口開的很小，純電動汽車用的非常寬，用完就結(jié)束使用，而插電式混合動力在電池耗盡的時候，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功率限制參數(shù)，這是根據(jù)一個三維表核算出來，包含溫度、SOC、電池容量，如圖11所示。
圖11 SOC控制表
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)一般有多個繼電器，電池管理系統(tǒng)至少要完成對繼電器的驅(qū)動供給和狀態(tài)檢測，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)立的配電盒對整個電流分配做個更細(xì)致的保護(hù)。對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有效的監(jiān)測整個電池包的溫度分布，并將監(jiān)測信息反饋給電池管理系統(tǒng)和整個電池溫度管理系統(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；在直流充電過程中，特別需要注意在較高SOC下允許充電的電流。在國標(biāo)系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)被要求直接與外部建立通信，交互充電過程中的信息。理論上說，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)制就會顯得有些復(fù)雜。
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。在某些時候，可能還有一條備份的診斷和刷新的通信線，用來在主通信失效的情況下做數(shù)據(jù)傳輸。
2)故障診斷和容錯運(yùn)行
故障診斷及容錯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也需要以故障碼(DTC)來進(jìn)行報警，通過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)的指示燈來提醒駕駛員。由于電池的危險性，往往需要車聯(lián)系統(tǒng)直接進(jìn)行信息傳送，以應(yīng)對突然出現(xiàn)的事故處理。比如當(dāng)發(fā)生事故的時候，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)通過定位和預(yù)警來處理，特別是電池放電。故障診斷包括對電池單體電壓，電池包電壓，電流，電池包溫度測量電路的故障進(jìn)行診斷，確定故障位置和故障級別，并作出相應(yīng)的容錯控制。
Fail-Safe的容錯運(yùn)行機(jī)制，是指車輛在運(yùn)行過程中遇到錯誤之后，車輛進(jìn)行的降級運(yùn)行處理。事實(shí)上，這個功能更像是對以上所有功能降級和備份。
小結(jié)：
1)電池管理系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜，這里拋磚引玉，做個系統(tǒng)性的簡述，接下來對乘用車和電動大巴兩個內(nèi)容進(jìn)行針對性舉例和分析。
2)電池系統(tǒng)，做好和做壞，本質(zhì)還是有很大的差異的，這里也只是給出一些基本的要素，容大家參考。
3)寫的比較凌亂，后續(xù)把系統(tǒng)分成硬件和軟件單獨(dú)來看的時候，會更清晰一些。
