淺析電動汽車動力電池管理系統(tǒng)

中國人民解放軍31620部隊 朱永康

根據(jù)EV Sales的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球電動汽車累計銷量高達312.48萬輛，較2019年大增41%，未來或?qū)⑷嫒〈加推?，電動汽車市場潛力巨大。動力電池作為電動汽車的主要動力來源，直接關(guān)系到電動汽車的行駛里程、使用壽命、經(jīng)濟性及安全性等指標，而動力電池的性能發(fā)揮程度主要取決于動力電池管理系統(tǒng)（BMS）的性能。

1 BMS架構(gòu)

BMS是監(jiān)控動力電池的電壓、電流、負載、溫度等狀態(tài)，并能為其提供安全、通信、單體電池均衡和管理控制，提供與應(yīng)用設(shè)備通信接口的系統(tǒng)（圖1）。其基本框架包括動力電池包殼體及密封保護的硬件模塊、高壓分析盒（BDU）及BMS控制器。動力電池包殼體及密封保護的硬件模塊由泄壓管路、熱管理零件及母線互聯(lián)零件等部件組成，主要功用為檢測單體電池溫度和電壓，并及時均衡單體電池電壓。BDU由熔絲、主接觸器、預(yù)充電接觸器及其他接觸器等部件組成，主要用來分析系統(tǒng)高壓情況，并在故障情況下及時切斷電路。BMS控制器主要由各類傳感器、控制器及相關(guān)運算邏輯組成，主要用來檢測動力電池剩余電量百分比（SOC）、動力電池當前容量相對額定容量百分比（SOH）、安全狀態(tài)等信息。

圖1 BMS基本框架

BMS具備監(jiān)控動力電池總電壓、電流數(shù)據(jù)，獲取單體電池、動力電池單元電壓，掌握動力電池包內(nèi)部溫度等數(shù)據(jù)。它主要由硬件架構(gòu)與軟件架構(gòu)這2個部分構(gòu)成。

1.1 硬件架構(gòu)

BMS的硬件架構(gòu)如圖2所示，包含控制器、BDU、動力電池單元、車載充電器、維修開關(guān)等，其中控制器最為重要，包括1個主控制器、2個從控制器、高壓控制器、電機控制器和整車控制器（VCU）等。BMS的硬件架構(gòu)分為集中式和分布式2種，集中式將電子部件歸納在微型電子機械系統(tǒng)內(nèi)，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，因此鏈路簡單，成本低廉，缺點則是穩(wěn)定性不足；分布式由主板、從板組成，系統(tǒng)配置靈活，通道利用率高，適用于各類動力電池單元，其缺點就是動力電池單元數(shù)量不足時會造成通道浪費。

圖2 BMS的硬件架構(gòu)

主控制器具備處理信息、綜合判斷動力電池運行情況、實現(xiàn)控制策略、處理故障信息等功能。高壓控制器具備收集并上報總電壓、電流等信息，并為主板提供測量SOC、SOH所需數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)充電、絕緣檢測等功能。從控制器具備單體電池信息采集上報，擁有電壓均衡功能，可以保持單體電池動力輸出的一致性。

1.2 軟件架構(gòu)

如圖3所示，軟件架構(gòu)包括應(yīng)用層軟件和底層軟件。

圖3 軟件架構(gòu)

1.2.1 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層軟件涵蓋了高低壓管理、充電管理、動力電池狀態(tài)估算、均衡控制及故障診斷等功能。

高低壓管理是在車輛需要上高壓電時，VCU通過硬線（CAN信號）的12 V激發(fā)BMS，等BMS完成自檢后繼電器閉合，此時高壓線路接通，在需要下高壓電時，VCU下達指令斷開12 V信號，或者在充電時由充電輔助電源（A+）信號激發(fā)。充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45 min內(nèi)完成充電電量達到80%，快充時要通過充電輔助電源（A+）信號激發(fā)。

動力電池狀態(tài)估算中，SOC是表示動力電池剩余容量百分比，SOH是用來判別動力電池的壽命狀態(tài)及動力電池充滿狀態(tài)下的容量，一般SOH低于80%的動力電池不可以繼續(xù)使用，動力電池狀態(tài)估算需要根據(jù)溫度及SOC換算得出，能夠在動力電池臨界之前及時發(fā)出信號讓電力系統(tǒng)限定部分功能。SOC當前使用的技術(shù)較為簡單，因此電動汽車續(xù)航里程常常估算不準確，會出現(xiàn)俗稱“空電”的現(xiàn)象。

均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致的問題，因為動力電池的使用壽命取決于性能最差的單體電池，造成其余性能完備的動力電池蓄存量的浪費。均衡控制分為主動控制和被動控制，其中主動控制將單體電池間能量進行轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優(yōu)勢更為明顯，目前備受主機廠的青睞，其原理是依照動力電池的電量和電壓呈正相關(guān)，根據(jù)單體電池的電壓數(shù)據(jù)，將高電壓的單體電池能量通過電阻放電使其與低電壓單體電池的電量保持相等狀態(tài)。

故障診斷主要是根據(jù)采集的電氣設(shè)備、通信等數(shù)據(jù)信息將故障劃分為4個級別（表1），并制定出相應(yīng)的故障處理對策。

表1 電動汽車故障級別與處理

1.2.2 底層軟件

汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)建立了一個開放的控制器標準底層軟件架構(gòu)，其中為了減少對硬件設(shè)備的依賴性，將控制器劃分為諸多通用功能區(qū)塊，主要包括周邊裝置驅(qū)動、控制器抽象層（用于對應(yīng)微處理器抽象層）、操作系統(tǒng)、服務(wù)及通信等5個功能區(qū)塊。能夠?qū)Σ煌挠布崿F(xiàn)配置，并對應(yīng)用層軟件影響較小。

2 BMS中傳感器的應(yīng)用

BMS中主要應(yīng)用的傳感器有電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及電壓傳感器等。

2.1 電流傳感器

2.1.1 霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器是將變化的磁場轉(zhuǎn)為變化的電壓，屬于間接測量，可分為開環(huán)式與閉環(huán)式2類，其中閉環(huán)式的精度較高。如圖4所示，霍爾電流傳感器簡化了電路，僅要連通直流電源正負極，將被測電流母線穿過霍爾電流傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測?；魻栯娏鱾鞲衅鬏敵鲂盘枮楦边呺娏鳎瑪?shù)值較小，與原邊電流（輸入信號）成正比，需要進行AC-DC轉(zhuǎn)換。霍爾電流傳感器集互感器、分流器優(yōu)點于一身，且結(jié)構(gòu)更簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密且復(fù)雜的電動汽車。

圖4 霍爾電流傳感器原理圖

2.1.2 磁通門電流傳感器

如圖5所示，磁通門電流傳感器的原理是易飽和磁芯在激勵電流影響下，電感量隨激勵電流大小變化而變化，進而改變磁通量大小，磁通量就像是門一樣被打開或關(guān)閉。霍爾電流傳感器精度為0.5%～2%，而磁通門電流傳感器精度能達到0.1%甚至更高，因此也被稱為高精度電流傳感器。

圖5 磁通門電流傳感器

磁通門電流傳感器從結(jié)構(gòu)上分為4類（表2），分別是單磁環(huán)、雙磁環(huán)、雙磁環(huán)（屏蔽）、多磁環(huán)（嵌套），由于磁通門電流傳感器具有高靈敏性、閉環(huán)磁平衡與匝比輸出嚴格對應(yīng)性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除震蕩諧波影響輸出干凈等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各品牌的電動汽車中。

表2 常用閉環(huán)磁通門電流傳感器

2.2 溫度和濕度傳感器

2.2.1 負溫度系數(shù)溫度傳感器

溫度對于BMS性能的發(fā)揮意義重大，為了進一步提升動力電池利用率，防止動力電池過度充（放）電，增加動力電池使用壽命，負溫度系數(shù)溫度傳感器會檢測動力電池溫度，以便及時進行調(diào)整。

負溫度系數(shù)溫度傳感器主要是由錳等高純度金屬元素的氧化化合物經(jīng)過陶瓷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合制成，這些高純度金屬元素內(nèi)的電子隨著溫度的升高變得活躍，導(dǎo)電性變強。負溫度系數(shù)溫度傳感器具有電阻率高、熱熔小、響應(yīng)快、阻值與溫度線性關(guān)系優(yōu)良、能彎曲、價格低、壽命長等優(yōu)點，常用的負溫度系數(shù)溫度傳感器有地環(huán)外殼負溫度系數(shù)溫度傳感器、環(huán)氧樹脂封裝負溫度系數(shù)溫度傳感器及薄膜負溫度系數(shù)溫度傳感器3類。

2.2.2 濕度傳感器

濕度傳感器是一種將環(huán)境濕度量轉(zhuǎn)變成能夠被電信號標記的設(shè)備或裝置，常見的濕度傳感器測量的是相對濕度。BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕度傳感器和電容式濕度傳感器，其原理是在基片上涂敷一層感濕材料膜，當環(huán)境中的水蒸氣吸附在感濕材料膜上時，元件的電阻值就會發(fā)生變化，從而測出環(huán)境濕度。

濕度在動力電池中難以捕捉，但是濕度對于動力電池的性能和使用壽命影響巨大。

2.3 電壓傳感器

動力電池由幾百個單體電池串聯(lián)組成，因此對電壓監(jiān)測的需求較大。動力電池為累計電壓，但單體電池的電壓各不相同，因此不能只用單向補償法消去誤差，這就需要更為精確的傳感器來測量電壓值。電壓傳感器能夠捕捉動力電池電壓轉(zhuǎn)換的輸出信號，主要是利用金屬的電致發(fā)光效應(yīng)測量發(fā)光材料在被測電壓情況下的發(fā)光強度來測量電壓值，該方法能夠精確測量每個單體電池的電壓值。與傳統(tǒng)的光學(xué)電壓傳感器相比，基于電致發(fā)光效應(yīng)的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩(wěn)定性，另一方面，也對傳感器結(jié)構(gòu)進行簡化、降低生產(chǎn)成本。

3 BMS的技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 功能集成化趨勢

集成化是指全套嫁接半導(dǎo)體特性，在硅片上安裝小型傳感器，或直接制成單片集成電路傳感器，例如集成電流、溫度、濕度、電壓等傳感器于同一硅片上，從而實現(xiàn)傳感器的集成。電動汽車一直在朝著輕量化方向發(fā)展，對于部件的集成化要求更加嚴苛。BMS是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能集成化的管理系統(tǒng)，因此要求傳感器具備多功能一體性，進而能夠用最少數(shù)量的傳感器就能全面監(jiān)控動力電池，當故障發(fā)生時，BMS能夠迅速查找到故障點并及時予以檢測警示。

3.2 檢測精準化趨勢

精準的監(jiān)控才能得到更為真實的數(shù)據(jù)，使得汽車實際工況和用戶駕駛操作更完美地匹配。未來，傳感器的檢測數(shù)據(jù)要求將越來越精細，對于電流、溫度、濕度、電壓等數(shù)據(jù)的采集需要更精準的數(shù)據(jù)，從而提升用戶對BMS的精準掌握，現(xiàn)如今，各主機廠紛紛加大研發(fā)力度，力求能夠從理論仿真、試驗研究這2個方面同時入手，研究探索出新一代高精度的檢測BMS的傳感器。

3.3 器件微型化趨勢

微型化發(fā)展趨勢包括設(shè)計技術(shù)和材料技術(shù)的微型化，尤其是微電子技術(shù)領(lǐng)域的革新將使得BMS中傳感器的微型化發(fā)展趨勢提高到新的層次，采用微型電子機械加工制造的微米級別的傳感器、處理器及敏感元件等安裝到同一芯片上，組成傳感器，其具備成本低、體積小、可靠程度高等優(yōu)點，同時也能夠顯著提高檢測的精度。

4 總結(jié)

隨著國內(nèi)外電動汽車產(chǎn)業(yè)的不斷升級，越來越多的傳感器技術(shù)將會應(yīng)用到BMS當中，在新的傳感器技術(shù)支持下，BMS也會由現(xiàn)在的“硬件+算法”體系升級到“數(shù)據(jù)+主動式管理”體系。