在保證電池系統安全的設計過程中,除了電池單體特性、電池模組設計、電池包的結構和排氣設計以外,就要數電池最有主控性。這裡想做一個系列文章,分别介紹電池管理系統的基礎、乘用車管理系統、電動大巴管理系統和電池管理系統的發展四個部分,這是第一篇。
從鎳氫電池開始,電池由于其本身的特性,需要電池管理系統來管理,它也是新能源汽車整體架構中的要素之一。從總體來看,電池管理系統的主要目的是測量電池狀态、延長電池的使用壽命。電池管理系統的常見功能模塊根據初步劃分,也可以分為測量功能、狀态計算功能、系統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,電流信号的監測,電池包溫度的檢測
電池管理系統有着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頂層計算、控制邏輯的基礎 。如圖1所示,電池管理系統目前從電池這裡獲取的直接物理參數就是隻有電壓、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控
單體的電壓,對于電池管理系統有幾種意義,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行狀态。單體的電壓的采集和保護,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、線束保護用熔絲、均衡狀态等多項内容。由于對電壓采集精度的敏感度,與電池化學體系和SOC範圍(SOC兩端的需求往往較高)都有關系,實際上的ASIC采集得到的電壓數據需要經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
在後續計算SOC的時候,往往會用電池組的總電壓來核算,這是計算電池包參數重要參量之一;如果由單體電壓累加計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據實現精确對齊,因此往往采集電池包電壓來作為主參數來進行運算。在診斷繼電器的時候,是需要電池包内外電壓一起比較的,所以這裡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
由于這裡牽涉到了高壓采集,需要進行隔離,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,然後配置工作點,再加上汽車級運放所組成的儀表運放電路,如下圖4所示。
圖4 三運放組成的儀表運放
1.3電池溫度
溫度對電池的參數有着很大的意義,這裡也是引起争議的地方。在設計電池和模組的時候,電池内外的溫度差異、電池極耳和母線焊接處、模組内電池溫度差異和電池包内最大溫度差,這些參數在設計整個電池包的時候都是屬于已經進行先期控制了。BMS在設計溫度傳感器的放置點,以及放置多少溫度點和最後采集得到的溫度點表征整個電池包的運行情況,這裡并不是BMS能管理的範疇。溫度檢測的精度也是頗有講究的,如在-40度的時候,檢測精度不需要特别高,因為使用電池系統本身就需要加熱,而在-10度~10度對電池性能有重大影響的區域,還有40度高溫臨近點,這些都是需要重點關心的區域。在設計的過程中,可以用上拉電阻、濾波電阻和溫度傳感器的本身的數值進行蒙特卡羅分析。
需要注意的是,在一個電池包内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電路也會将溫度采集的功能涵蓋進去。
圖5 溫度采集電路
1.4電池包流體溫度檢測
電池管理系統在整個電池包熱控制裡面,一般的作用是彙報溫度,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(最極端的是特斯拉的小電池的75個并聯),電池包内的單體串聯給整車提供電能,所以一般隻需要測量一個電流。電流測量手段主要分兩種智能分流器或霍爾電流傳感器。由于電池系統需要處理的電流數值,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,這是一件需要仔細檢查的工作。電流是引起單體溫度變化的主要原因,作用在内阻和化學發熱一起構成了電池發熱;電流變化的時候也會引起電壓的變化,與時間一起,這三項是核算電池狀态的必備元素。
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,甚至可以在裡面實現SOC的估算。
圖6 兩種電流傳感器
2)絕緣電阻檢測
電池管理系統内,一般需要對整個電池系統和高壓系統進行絕緣檢測,比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負極對地線的絕緣電阻。現在在電池包裡面用的比較多的是主動信号注入,主要是可以檢測電池單體對系統的絕緣電阻。
圖7 被動絕緣檢測
3)高壓互鎖檢測(HVIL)
有話要說...