新能源汽車高電壓組件結(jié)構(gòu)淺析（三）

無錫汽車工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 吳書龍

5 動力電池管理系統(tǒng)

電動汽車用動力電池組由多個單體電芯串并聯(lián)組成，以滿足電壓和功率的需求。在實際使用中，當(dāng)單體電芯發(fā)生過溫、欠壓、過放、過充和漏電等故障時，就會導(dǎo)致整個動力電池組的性能大大衰減，提前失效，甚至發(fā)生安全隱患。為了延長電池組的壽命和功率最大化，必須在嚴(yán)格規(guī)定的范圍內(nèi)使用單體電芯。這樣就必須將電池本身和管理系統(tǒng)相連接，由管理系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)控和和管理，從而確保其安全性和動力性。

5.1 動力電池管理系統(tǒng)的組成

動力電池系統(tǒng)主要由電池模組、電池信息采集單元、熱管理系統(tǒng)、溫度和電壓采樣線、高壓繼電器盒、通訊系統(tǒng)和維修開關(guān)等組成，其整體布置圖如圖20所示。電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池系統(tǒng)的控制單元，是電池系統(tǒng)的重要

組成部分之一。電池管理系統(tǒng)具有保證電池使用安全，控制電池能量合理使用，延長電池壽命，實現(xiàn)智能充電，存儲、查詢電池信息及與其他控制單元通訊的功能。

5.2 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)主要分為分布式和集成式系統(tǒng)。

分布式電池管理系統(tǒng)（圖21）數(shù)據(jù)采集是分散的，每個電池組都有一個從芯片，以監(jiān)測其中每個單體電池或電池組的電壓、溫度、電流等信息，還可以進(jìn)行電池均衡控制、采樣線異常檢測等。主芯片是電池管理系統(tǒng)核心部件，能夠?qū)恿﹄姵亟M的總電壓、總電流、每個測點的溫度和電壓等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并進(jìn)行故障診斷、荷電狀態(tài)（SOC）的計算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、報警顯示、充放電模式選擇等。CAN總線和采樣線連接主芯片和從芯片，從而實現(xiàn)二者之間的通訊及信息交換。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是便于電池系統(tǒng)的擴展，采集的數(shù)據(jù)可以就近處理，精度高，能更好地計算電池的荷電狀態(tài)；缺點是成本較高，靈活性差，數(shù)據(jù)的實時性不高。

集成式電池管理系統(tǒng)（圖22）是采用了大量電池管理主芯片和從芯片的集成設(shè)計，可完成對當(dāng)前電池的電壓、電流、溫度、SOC、充電、放電等各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。集成式電池管理系統(tǒng)可以降低成本，完全進(jìn)行集成化處理。

圖20 動力電池系統(tǒng)的整體布置

圖21 分布式電池管理系統(tǒng)示意圖

圖22 集成式電池管理系統(tǒng)

5.3 電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)具有對動力電池組參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測、在線故障診斷、電池荷電狀態(tài)的估算、電池安全控制與報警、短路保護(hù)、充放電模式選擇、電池均衡和熱管理等功能。電池管理系統(tǒng)可以將動力電池相關(guān)參數(shù)上報整車控制器（VCU），由VCU控制動力電池的充電和放電功率。

5.3.1 電池參數(shù)監(jiān)測

電池狀態(tài)監(jiān)測功能是電池管理系統(tǒng)最基本的功能，是電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)其他各項功能的前提和基礎(chǔ)。

（1）電壓監(jiān)測。電壓是反映電池狀態(tài)的重要指標(biāo)。單體電池都要具有電壓采樣線。電池管理系統(tǒng)通過從芯片采樣電池組中的單體電池的電壓和電池模組電壓，然后通過總線傳遞給電池管理系統(tǒng)主芯片。主芯片根據(jù)控制需求處理單體電池的電壓，還可以對電池的過充、過放、欠壓和反極現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警。電池電壓采集工作示意圖如圖23所示。

圖23 電池電壓采集工作示意圖

（2）電流監(jiān)測。將霍爾傳感器安裝在高壓線路中，當(dāng)有電流通過時，霍爾傳感器會通過自身的霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電壓，此時電池管理系統(tǒng)利用主芯片采集到傳感器發(fā)出的霍爾電壓，再根據(jù)內(nèi)部設(shè)置的計算公式，在策略層實現(xiàn)電流計算。目前選用的都是雙通道霍爾傳感器，基本支持在不同量程范圍內(nèi)電流采集的精度誤差控制在2%以內(nèi)。

（3）溫度監(jiān)測。每個電池模組至少應(yīng)有一個溫度傳感器。將溫度傳感器安裝在電池模組、關(guān)鍵高壓線束連接等采集點處，當(dāng)電池模組溫度上升或下降時，傳感器感受到溫度上升或下降，其自身電阻發(fā)生正溫度系數(shù)變化，主芯片通過子芯片采集到各溫度點的傳感器電阻后，根據(jù)內(nèi)部溫度電阻對應(yīng)矩陣表實現(xiàn)溫度的查表計算。

5.3.2 電池狀態(tài)估計

電池狀態(tài)估計包括對電池的荷電狀態(tài)（SOC）、放電程度（DOD）、健康狀態(tài)（SOH）、故障及安全狀態(tài)（SOS）等進(jìn)行分析計算。

5.3.3 在線故障診斷

在線故障診斷包括對電池管理系統(tǒng)和電池組自身故障進(jìn)行自診斷，采用診斷算法診斷故障類型，并進(jìn)行早期預(yù)警。

電池管理系統(tǒng)故障是指電池模組連接、互鎖回路、電池管理器、電池信息采集器、熱管理等各個子系統(tǒng)的故障，以及CAN通訊故障等。如高壓繼電器控制、上電控制、充電控制、風(fēng)扇控制、空調(diào)和PTC加熱器等控制電路控制。

電池組本身故障是指單體電池過壓（過充）、欠壓（過放）、過電流、超高（低）溫、內(nèi)部短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣漏電等故障。

5.3.4 電池安全控制與報警

電池安全控制與報警主要是指電池管理系統(tǒng)對電池溫度、高壓電安全盒等故障進(jìn)行診斷，診斷到故障后，通過CAN總線上報VCU，并通過VCU切斷高壓電安全盒中高壓繼電器的電源，以防止高壓安全故障（如漏電）對電池和人身造成傷害。

動力電池組至少需要3個高壓繼電器（預(yù)充、正極、負(fù)極）進(jìn)行高壓母線的電路控制，為最大化保護(hù)電池模組，也可以在正極母線上增加不同功能的高壓繼電器，如主高壓繼電器、交流充電高壓繼電器、分壓高壓繼電器、直流充電高壓繼電器等。

5.3.5 充電控制

當(dāng)充電插槍信號傳遞給電池管理系統(tǒng)后，電池管理系統(tǒng)將根據(jù)單體電池的電壓、溫度及充電槍反饋的充電功率等信號，控制車載充電機給電池進(jìn)行安全充電。

5.3.6 均衡控制

在電池電量放電到10%或充電到100%，電池不一致性將導(dǎo)致電池組的總?cè)萘啃∮谧钚误w電池的容量。電池均衡是指電池管理系統(tǒng)根據(jù)單體電池信息，采用一定的控制方式，盡可能使電池組容量接近于最小單體電池的容量。電池均衡控制按均衡方式可分為主動均衡（active balance）和被動均衡（passive balance）。

（1）主動均衡。主動均衡指主動地將不均衡的電池能量（容量）在電池單體模塊之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通常是將能量（容量）強的轉(zhuǎn)移到能量（容量）弱的，從而使電池趨于一致，也稱為能量轉(zhuǎn)移型均衡。一般在電量放到10%左右時確認(rèn)一致性。

（2）被動均衡。被動均衡指被動地將不均衡的電池能量（容量）消耗掉，通常是將能量（容量）高的電池能量（容量）消耗掉一部分，使電池趨于一致，也稱為消耗型均衡。一般在充滿電停機時以最高電壓電池單體為截止電壓。

被動均衡結(jié)構(gòu)更為簡單，使用比較廣泛，但是采用電阻耗能產(chǎn)生熱量，從而會使整個系統(tǒng)的效率降低。主動均衡采用能量傳遞分配的原則，因而能量（容量）可得到更有效利用，均衡效率可達(dá)到80%～90%，但同時系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本也更高。

5.3.7 熱管理

熱管理是指電池管理系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控到的電池組內(nèi)溫度，對電池進(jìn)行有效散熱或加熱，將電池組之間的溫差控制在±2 ℃，以確保溫度分布均勻，從而延長電池的使用壽命。

5.3.8 網(wǎng)絡(luò)通訊

電池管理系統(tǒng)需要與VCU等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過CAN總線通信。更換動力電池組或電池管理系統(tǒng)后，需要進(jìn)行在線容量和電量等的標(biāo)定。

5.3.9 信息存儲

電池管理系統(tǒng)用于存儲電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如電池的SOC、SOH、DOD、累積充放電次數(shù)、故障代碼和一致性等。

5.3.10 電磁兼容

主芯片和從芯片都要具有較好的抗電磁干擾能力，對外輻射小，確保通訊暢通，以防車輛失去監(jiān)控，造成突然掉電等安全隱患。

電池管理系統(tǒng)不僅要保證電池安全可靠地使用，而且是與VCU及車主溝通的橋梁。對電池的過充、過放、欠壓、過溫、漏電、不一致性等進(jìn)行故障監(jiān)控，故障涉及范圍廣泛、復(fù)雜。因此，售后技術(shù)人員要能通過對故障碼、數(shù)據(jù)流的分析進(jìn)行故障排除，以確保電池管理系統(tǒng)一直處于最佳的工作狀態(tài)。