電動汽車電池管理中的監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：首先概述了電動汽車電池系統(tǒng)的安全注意事項(xiàng)，其次說明了電動汽車對電池管理系統(tǒng)的要求，然后詳細(xì)分析了電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測原理及具體實(shí)現(xiàn)單元，最后出于對電池管理系統(tǒng)中監(jiān)測單元的高可靠性要求提出了冗余設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電池管理;監(jiān)測系統(tǒng);通信環(huán)網(wǎng)

中圖分類號：U469.72;TM912? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.016

引言

電動汽車電池系統(tǒng)的安全注意事項(xiàng)涉及多個方面。其中，重要的傳統(tǒng)電氣安全注意事項(xiàng)旨在防止生產(chǎn)工人、車主、機(jī)械師和車輛回收人員暴露在高電壓下或受到電擊;機(jī)械方面的注意事項(xiàng)旨在防止電池被刺穿和受到撞擊損壞，以及解決電池內(nèi)的液體和氣體可能會從電池中泄漏或排出的問題;考慮到鋰離子電池只有在比ICE車輛溫度更嚴(yán)苛的溫度范圍內(nèi)才能最高效、安全地工作，電池組設(shè)計的注意事項(xiàng)也包含了熱安全注意事項(xiàng);此外，電氣系統(tǒng)的功能安全注意事項(xiàng)可在車輛使用或充電時保持電池安全運(yùn)行。

1? ? 電動汽車對電池管理系統(tǒng)的要求

鋰離子電池因具有高電荷密度和低重量的特點(diǎn)而被證明是純電動汽車最理想的動力來源。由于鋰離子電池的尺寸很大，工作性質(zhì)上非常不穩(wěn)定，再加上都是由單體電池組合而成，在任何情況下想要監(jiān)控其電壓和電流工作情況都是非常困難的。為解決這一困難，就需要一個特殊的專用系統(tǒng)，即電池管理系統(tǒng)（BMS）。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量每個電池單元的電壓，因?yàn)檫^壓或欠壓條件可能會導(dǎo)致電池的熱故障;還負(fù)責(zé)測量電池組的溫度，如果檢測到過熱情況，控制系統(tǒng)可能會停止再生充電或減少電池組的功率消耗，使單個電池溫度恢復(fù)到安全的操作范圍;電池管理系統(tǒng)另一個重要的能量管理功能是確定充電狀態(tài)（SOC），以確保所有電池均勻放電，并防止它們低于總?cè)萘康拈撝怠?/p>

2? ? 電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測原理及具體實(shí)現(xiàn)單元

鋰離子電池需要在一定的溫度和工作電壓范圍內(nèi)工作，才能發(fā)揮卓越性能和實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。如果超出此范圍，電池內(nèi)部可能會發(fā)生不良的副作用，從而導(dǎo)致過度自發(fā)熱，甚至可能導(dǎo)致內(nèi)部長時間短路。過度自發(fā)熱和內(nèi)部短路是熱失控連鎖反應(yīng)的第一步，最終會造成安全隱患。為了將電池組維持在安全的工作范圍內(nèi)，電池監(jiān)測專用集成電路會測量電壓、溫度和電流并將有關(guān)信息傳輸?shù)诫姵乜刂茊卧?。在電動汽車?yīng)用中，為了滿足交流電機(jī)負(fù)載的嚴(yán)苛要求，內(nèi)部電池組電壓應(yīng)不低于800 V，這相當(dāng)于在汽車底盤中串聯(lián)堆疊100個或更多的鋰離子電池。因此，需要對高壓電池組應(yīng)用更為先進(jìn)的技術(shù)，從而以安全、及時和可靠的方式報告電池診斷信息。

一種常見的設(shè)計方法是采用分布式電池組系統(tǒng)，它通過在不同的印刷電路板（PCB）上連接多個高精度電池監(jiān)控器，支持包含多節(jié)電池的電池組。此時電池管理系統(tǒng)就會極為復(fù)雜（圖1），即由許多分系統(tǒng)組成并時刻監(jiān)測電池組狀態(tài)，其中電池和監(jiān)測系統(tǒng)之間的連接或不同監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信連接可能會發(fā)生傳感器輸入開路或通信中斷故障。如果沒有必要的測量和通信，電池控制系統(tǒng)便會“失明”，再也無法管理電池組中電池的狀態(tài)。而檢測和解決障礙（如通信故障或電池傳感器連接故障等）以避免危險事件是功能安全的一部分。

由于電池監(jiān)測子系統(tǒng)的應(yīng)用有利于受損電池單元的“均衡電荷”，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池電壓和溫度感應(yīng)位置需要連接到電池監(jiān)測ASIC，以幫助識別電池電壓的下降或提高，從而允許系統(tǒng)確定電池是否過壓或欠壓?？刂铺幚砥鲿l繁讀取測量信息，以計算電池的當(dāng)前狀態(tài)，并幫助確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。對于高壓電池組，監(jiān)測ASIC以堆疊配置形式排列，其中每個ASIC均測量多塊并聯(lián)的電池。命令和數(shù)據(jù)通過一個獨(dú)立的通信接口在ASIC之間傳輸，如圖2所示。

在圖2中，左側(cè)為電池管理或監(jiān)測單元（BMU）板，其中包括主機(jī)MCU和BQ79600-Q1通信橋接器件。此BMU連接MCU和單節(jié)電池監(jiān)測單元（CMU）上其他BQ796XX監(jiān)測器件，而CMU與實(shí)物電池連接。這些CMU通過雙絞線菊花鏈電纜在每個電池監(jiān)控器件的高側(cè)和低側(cè)互聯(lián)，也可使用環(huán)形電纜，在電纜斷開時向任一方向傳輸數(shù)據(jù)。另外，需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件，用來確保在高噪聲環(huán)境中的可靠通信，并承受嚴(yán)格的汽車電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）限制。

BQ79600-Q1是一款通信（網(wǎng)橋）IC，旨在連接微控制器（MCU）和電池監(jiān)控IC（BQ7961X-Q1或BQ79606A-Q1）。該網(wǎng)橋芯片將來自MCU的信息轉(zhuǎn)換為信號，電池管理菊花鏈協(xié)議用于識別這種信號，并將其傳輸出來;同時，來自隔離式菊花鏈差分總線的信號被解碼為位流發(fā)送回MCU，如圖3所示。

使用環(huán)形架構(gòu)時，如果檢測到了任何未屏蔽的故障，則BQ79600-Q1可以將處于關(guān)斷/睡眠模式的MCU和PMIC喚醒。

BQ7961X-Q1系列器件可以在200 μs內(nèi)對最小6S、最大12S（BQ79612-Q1）的電池模塊執(zhí)行高精度電池電壓測量。借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。集成式后ADC低通濾波器可以執(zhí)行經(jīng)過濾波、類似于直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態(tài)（SOC）。此器件支持自主內(nèi)部電池平衡，并通過監(jiān)測溫度來自動暫停和恢復(fù)平衡，以免出現(xiàn)過熱條件。包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進(jìn)行隔離，并允許使用最有效的組件實(shí)現(xiàn)xEV動力總成系統(tǒng)中常見的集中式或分布式架構(gòu)。

菊花鏈差分總線的信號使用的是差分、雙向和半雙工接口，所以在高側(cè)和低側(cè)通信接口均有變送器（TX）和接收器（RX），默認(rèn)情況下可從低側(cè)到高側(cè)傳送信息。這些TX和RX的功能由硬件根據(jù)器件的基站或堆棧檢測自動進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)矫總€模塊時會重新計時。BQ796XX器件的RX拓?fù)渑cRS-485類似，但增加了衰減高共模電壓（由車輛環(huán)境中典型的嘈雜情況產(chǎn)生）的設(shè)計機(jī)制。

3? ? 電池管理系統(tǒng)的冗余設(shè)計

如果電動汽車在行駛過程中，電池輸入引腳和PCB之間發(fā)生開路，則可能會導(dǎo)致電池監(jiān)測系統(tǒng)功能喪失，進(jìn)而引發(fā)危險事件。監(jiān)測系統(tǒng)中的BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1系列電池監(jiān)測ASIC包括環(huán)網(wǎng)通信特性以及針對此類故障具有容錯機(jī)制的冗余電池電壓測量路徑，使系統(tǒng)能夠繼續(xù)監(jiān)測電池組的運(yùn)行狀況和安全狀態(tài)。

電池監(jiān)測系統(tǒng)冗余設(shè)計使用雙向環(huán)網(wǎng)配置（圖2）的BQ79616-Q1連接。在這種配置中，如果兩個電池監(jiān)測ASIC之間存在故障、開路或短路，控制處理器將繼續(xù)與所有電池監(jiān)測ASIC通信，并來回切換消息傳遞的方向。當(dāng)正常通信出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以借助環(huán)網(wǎng)通信的容錯機(jī)制來保持可用性，而不會丟失來自電池模塊的電壓和溫度信息。

BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1的另一個特性是使用電池平衡輸入引腳連接到電池的冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量路徑。圖4展示了從電池到VC和CB輸入引腳的連接。正常情況下，CB引腳可在電池上提供直流負(fù)載，以平衡電池間的電壓。在正常測量操作期間，主VC ADC路徑和冗余CB ADC路徑都與電池連接，且均可以測量電池電壓。利用此特性，CB ADC路徑在出現(xiàn)故障（如PCB的VC引腳連接開路或RVC電阻器開路）時將繼續(xù)測量電池電壓。當(dāng)正常電壓測量出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也可以借助冗余ADC路徑的容錯機(jī)制保持可用性，從而不會丟失來自電池模塊的電壓信息。

4? ? 結(jié)語

電池管理系統(tǒng)中的監(jiān)測系統(tǒng)包含環(huán)網(wǎng)通信和冗余路徑特性，以及用于在電動汽車電池電壓和溫度感應(yīng)期間檢測通信和連接故障的各種診斷安全機(jī)制，因此可實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級（ASIL）D級的系統(tǒng)功能安全。

收稿日期：2021-11-17

作者簡介：成晟（1979—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：嵌入式開發(fā)、智能交通信息化。