電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（上）

◆文/廣東　郭棟

電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（上）

◆文/廣東郭棟

一.電池管理系統(tǒng)的定義

深圳市派司德科技有限公司開發(fā)的電動(dòng)車輛電池管理系統(tǒng)（BMS）采用模塊式結(jié)構(gòu)，由主控模塊、采集模塊和高壓模塊構(gòu)成，每個(gè)主控模塊可連接20個(gè)采集模塊和一個(gè)高壓模塊，最多管理電池?cái)?shù)量為600個(gè)單體電池。

主控模塊通過內(nèi)部CAN獲取高壓模塊的總電壓、電流、絕緣電阻數(shù)據(jù)和采集模塊的單體電池電壓與溫度數(shù)據(jù)；根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算SOC（剩余電量），單體電池欠壓與過壓報(bào)警（可切斷充放電回路），電池組欠壓與過壓報(bào)警（可切斷充放電回路），溫度過高與過低報(bào)警（可切斷充放電回路），SOC過高與過低報(bào)警（可切斷充放電回路），絕緣電阻過高與過低報(bào)警（可切斷充放電回路），充放電電流過高報(bào)警（可切斷充放電回路）；通過I/O口檢測(cè)輸入信息（比如鑰匙狀態(tài)）進(jìn)行輸出控制；通過整車CAN總線給EVC（整車控制器）或組合儀表發(fā)送電池組工作狀態(tài)參數(shù)（報(bào)警狀態(tài)、電池組電壓、充放電電流、SOC、最大單體電池電壓等）；通過充電CAN總線控制充電機(jī)充電（設(shè)置充電電流與充電電壓），通過內(nèi)部CAN向遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

高壓模塊負(fù)責(zé)總電流、總電壓采集與絕緣電阻計(jì)算（可選），及給主控模塊上傳數(shù)據(jù)。

采集單元用于采集單體電池的電壓及溫度、散熱與加熱控制、均衡控制及給主控模塊上傳數(shù)據(jù)，其中電池管理系統(tǒng)BMS主要功能與技術(shù)參數(shù)如圖1所示。

二.電池管理系統(tǒng)的分類

電池管理系統(tǒng)管理辦法常見有兩種方式，一種數(shù)字式，一種模擬式，他們之間的區(qū)別如表1所示。

表1　模擬式和數(shù)字式管理方式區(qū)別

有人問，是否可以由電池保護(hù)板代替電池管理系統(tǒng)，我們根據(jù)經(jīng)常被問到的問題做個(gè)總結(jié)，希望對(duì)大家有所幫助。

1.保護(hù)板只是電池包的一個(gè)組成部分，它起到防止電池過壓、欠壓、過流、過溫（溫度過高）的保護(hù)作用，隨電池一起更換，一般的壽命在3年以內(nèi)，而電池管理系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它的壽命一般在12年以內(nèi)。電池保護(hù)板一般用于電動(dòng)工具，電動(dòng)玩具，電池供電的照明設(shè)備，電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于要求比較高端的用電設(shè)備，電池管理系統(tǒng)也有消費(fèi)類電子產(chǎn)片用的（如智能手機(jī)）和動(dòng)力系統(tǒng)用的之分，其中10Ah以上大容量動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)和10Ah以下的消費(fèi)類電子的電池管理系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，不能互相代替使用。

2.保護(hù)板有承擔(dān)安全保護(hù)功能，但是沒有保護(hù)功能硬件備份（完全依賴于硬件電路），一旦保護(hù)板失效或者保護(hù)MOS管（場(chǎng)效應(yīng)管）損壞，保護(hù)功能就失效。而電池管理承擔(dān)安全保護(hù)功能和信息管理、能量管理、效率管理功能，電池管理系統(tǒng)的安全保護(hù)功能也不單單依賴于硬件和軟件，而且還有保險(xiǎn)管（熔斷器）進(jìn)行有極差配合的保護(hù)（當(dāng)工作溫度、電流、電壓超出極限時(shí)自動(dòng)終止當(dāng)前工作），電池管理系統(tǒng)和電池保護(hù)板的功能對(duì)比如表2所示。

表2　電池管理系統(tǒng)與保護(hù)板的區(qū)別

3.保護(hù)板的保護(hù)門檻值一般是根據(jù)電池廠推薦的值在電路設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置好的，不允許生產(chǎn)人員標(biāo)定和編輯修改，而電池管理系統(tǒng)允許生產(chǎn)人員和維修人員修改報(bào)警參數(shù)。

4.電池管理系統(tǒng)和電池保護(hù)板的使用環(huán)境和可靠性要求均不一樣，它們之間的區(qū)別如表3所示。

表3　電池管理系統(tǒng)與保護(hù)板的技術(shù)要求區(qū)別

5.保護(hù)板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)無需遵從行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，電池管理系統(tǒng)必須遵從行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，比如元器件選型要遵從ROHS和ASE認(rèn)證，軟件編寫要遵從MISRA規(guī)范，硬件設(shè)計(jì)要進(jìn)行FMEA分析，生產(chǎn)和品質(zhì)控制要遵從TS16949規(guī)范。

6.電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有功耗的要求，待機(jī)功耗和工作功耗必須要滿足客戶的要求。

7.考慮到電動(dòng)自行車、通訊備電源的電池控制要求比較簡(jiǎn)單，可以對(duì)大容量電池管理系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化以降低成本，降低對(duì)運(yùn)算數(shù)度、存儲(chǔ)能力、通訊能力和控制輸出的能力的要求，但是對(duì)環(huán)境的要求、對(duì)機(jī)械負(fù)荷、電氣負(fù)荷的要求、對(duì)可靠性要求和對(duì)EMC的要求不能降低標(biāo)準(zhǔn)，否則會(huì)引起重大的責(zé)任事故。

三.電池的安全管理

實(shí)際上電池是在一個(gè)被各種條件限制區(qū)域內(nèi)工作，這個(gè)區(qū)域受溫度大小、充放電電流大小和電荷電狀態(tài)等影響，其中鋰電池充電“區(qū)域環(huán)境”如圖2所示。

圖3顯示出北汽EV200電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池的安全工作區(qū)域。當(dāng)電池的工作技術(shù)參數(shù)超出這個(gè)區(qū)域時(shí)電池管理系統(tǒng)將對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

四.電池工作優(yōu)化

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把電池控制在最佳效率、最佳壽命區(qū)工作，如圖4、5所示。

（未完待續(xù)）