動力電池管理系統(tǒng)BMS

動力電池管理系統(tǒng)BMSBMS是以某種方式對動力電池進行管理和控制的產(chǎn)品或技術(shù)。典型的電動汽車動力電池組管理系統(tǒng)的工作原理如圖1-3所示。BMS由各類傳感器、執(zhí)行器、固化有多個算法的控制器以及信號線等構(gòu)成。其重要任務(wù)是確保動力電池系統(tǒng)的安全可靠，提供汽車控制和能量管理所需的狀態(tài)信息，并且在出現(xiàn)異常狀況下對動力電池系統(tǒng)采用適宜的干預(yù)方法；通過采樣電路實時采集電池組以及各個構(gòu)成單體的端電壓、工作電流、溫度等信息；運用既定的算法和方略估算電池組SOC、SOH、SOP以及剩余壽命(RemainingUsefulLife，RUL)等，并將參數(shù)輸出到電動汽車整車控制器，為電動汽車的能量管理和動力分派控制提供根據(jù)。圖1-3典型的電動汽車動力電池組管理系統(tǒng)的工作原理1.4.1BMS的基本功效BMS的重要功效有數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測、安全保護、充電控制、能量控制管理、均衡管理、熱管理以及信息管理等。1.數(shù)據(jù)采集動力電池在電動汽車中的工作環(huán)境及狀況十分復(fù)雜。電動汽車需要適應(yīng)復(fù)雜多變的氣候環(huán)境，這意味著動力電池的運行需要常年面對復(fù)雜多變的溫濕度環(huán)境。另外，隨著路況和駕駛?cè)瞬倏v方式的變化，動力電池需要時刻適應(yīng)急劇變化的負載。為了精確獲取動力電池的工作狀況，更加好地實施管理對策，BMS需要通過采樣電路實時采集電池組以及各個構(gòu)成單體的端電壓、工作電流、溫度等信息。2.狀態(tài)監(jiān)測動力電池是一種復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)，含有多個實時變化的狀態(tài)量。精確而高效地監(jiān)測動力電池的狀態(tài)量是電池及成組管理的核心，也是電動汽車能量管理和控制的基礎(chǔ)。因此，BMS需要基于實時采集的動力電池數(shù)據(jù)，運用既定的算法和方略進行電池組的狀態(tài)預(yù)計，從而獲得每一時刻的動力電池狀態(tài)信息，具體涉及動力電池的SOC、SOH、SOP以及能量狀態(tài)(StateofEnergy，SOE)等，為動力電池的實時狀態(tài)分析提供支撐。3.安全保護動力電池安全保護功效重要指動力電池及其成組的在線故障診療及安全控制。動力電池的在線故障診療是指通過采集到的傳感器信號，采用診療算法診療故障類型。動力電池管理需要診療的故障普通涉及過電壓(過充電)、欠電壓(過放電)、煙霧、過電流、超高溫、短路故障、接頭松動、絕緣能力減少以及電解液泄漏，還涉及傳感器、執(zhí)行器以及控制器等電子元器件的故障。在診療出故障類型后，BMS需要進行早期預(yù)警，并盡量采用對應(yīng)的方法進行及時干預(yù)，以確保電動汽車的行駛安全。4.充電控制動力電池的充電過程將直接影響到電池的壽命和安全。因此，BMS普通需要集成一種充電管理模塊，根據(jù)動力電池的實時特性、溫度高低以及充電機的功率等級，控制充電機給電池進行安全充電。5.能量控制管理由于電動汽車的行駛工況十分復(fù)雜，急加速、急制動、上下坡等駕駛操作的隨機觸發(fā)將造成復(fù)雜多變的動態(tài)負載。為了確保車輛安全、經(jīng)濟地運行，BMS需要根據(jù)采集到的動力電池數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)信息，合理控制動力電池的能量輸出以及再生制動的能量回收。若電動汽車裝有復(fù)合電源，BMS還需根據(jù)復(fù)合電源各自的狀態(tài)信息優(yōu)化分派動力電池的能量，以確保復(fù)合電源的最佳性能。6.均衡管理由于生產(chǎn)工藝、運輸儲存以及電子元器件的誤差積累，動力電池單體之間難免存在不一致性。為了充足發(fā)揮電池單體的性能，確保電池組的使用安全，BMS需要根據(jù)動力電池單體的信息，采用主動或被動的均衡方式，盡量減少動力電池單體在使用過程中的不一致性。7.熱管理動力電池在正常工作中不僅受環(huán)境溫度的影響，還受本身充放電產(chǎn)熱的影響。因此，BMS需要集成電池熱管理模塊。它能夠根據(jù)電池組內(nèi)溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強度，使得動力電池盡量工作在最適合的溫度，充足發(fā)揮舞力電池的性能，延長動力電池的使用壽命。8.信息管理BMS需要集成多個功效模塊，并合理協(xié)調(diào)各模塊之間的通信運行。由于運行的數(shù)據(jù)量龐大，BMS需要對動力電池的運行數(shù)據(jù)進行解決和篩選，儲存核心數(shù)據(jù)，并保持與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行通信。隨著大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，BMS還需要與云端平臺進行實時交互，以更加好地解決動力電池的管理問題，提高管理品質(zhì)。1.4.2BMS的拓撲構(gòu)造設(shè)計電動汽車時，普通需要滿足一定的加速能力、爬坡能力和最高車速等動力性指標，若只配備單個動力電池單體作為能量源是遠遠無法達成規(guī)定的。因此，工程上普通將動力電池單體進行串并聯(lián)成組，以滿足車輛設(shè)計的技術(shù)規(guī)定。例如，特斯拉ModelS電動汽車采用松下公司制造的NCA系列18650鎳鈷鋁三元鋰離子動力電池，單體的標稱容量為3100mA·h，全車共采用了7000多個電池單體進行串并聯(lián)成組，最后構(gòu)成一種動力電池包，并安置于車身底板。面對大規(guī)模的動力電池管理問題，BMS的拓撲構(gòu)造非常重要。BMS的拓撲構(gòu)造直接影響系統(tǒng)成本、可靠性、安裝維護便捷性以及測量精確性。普通狀況下，電池監(jiān)測回路(BatteryMonitoringCircuit，BMC)與電池組控制單元(BatteryControlUnit，BCU)共同構(gòu)成硬件電路部分。根據(jù)BMC、BCU與動力電池單體三者之間的構(gòu)造關(guān)系，BMS可分為集中式拓撲構(gòu)造和分布式拓撲構(gòu)造。集中式BMS拓撲構(gòu)造中的BMC和BCU集成在單個電路板上，實現(xiàn)采集、計算、安全監(jiān)控、開關(guān)管理、充放電控制以及與整車控制器通信等功效，普通應(yīng)用于動力電池容量低、總壓低、電池系統(tǒng)體積小的場合。集中式BMS拓撲構(gòu)造如圖1-4所示，全部動力電池單體的測量信號被集中傳輸?shù)絾蝹€電路板。圖1-4集中式BMS拓撲構(gòu)造集中式BMS拓撲構(gòu)造普通含有以下優(yōu)點：①高速的板內(nèi)通信有助于確保數(shù)據(jù)的同時采集。②構(gòu)造緊湊，抗干擾能力強。③成本較低，僅使用一種封裝即可完畢BMS的全部工作。同時，集中式BMS拓撲構(gòu)造也存在下列缺點：①容易造成大量復(fù)雜的布線。②當系統(tǒng)的不同部分發(fā)生短路和過電流時難以保護電池系統(tǒng)。③考慮到高壓安全問題，不同通道之間必須保存足夠的安全間隙，最后造成電路板的尺寸過大。④由于全部的組件都集中在單一電路板上，可擴展性和可維護性差。與集中式拓撲構(gòu)造不同，分布式BMS中的BCU與BMC是分開布置的，如圖1-5所示。BCU重要負責故障檢測、電池狀態(tài)預(yù)計、開關(guān)管理、充放電控制以及與整車控制器通信；BMC則用于實現(xiàn)電池單體電壓、電流和溫度的采集以及安全性和一致性的管理。BCU和BMC之間通過CAN總線連接，任何BMC都能夠與BCU通信。另外，每一塊BMC電路板都屬于CAN總線的一種節(jié)點，且單獨與對應(yīng)的動力電池單體建立連接。因此，BMC與BMC之間同樣能夠建立通信。分布式BMS拓撲構(gòu)造普通含有以下優(yōu)點：①采集與計算功效分離，故障排查容易，計算效率高。②極大簡化了系統(tǒng)的構(gòu)造，布置位置靈活，合用性好。③可擴展性更強，若想要增加或減少管理的電池數(shù)量，只需要在對應(yīng)電池附近布置或移除BMC電路板，再將它與預(yù)留的CAN總線接口相連或解開即可。同時，分布式BMS拓撲構(gòu)造也存在下列缺點：①部件增多，增加了電路板數(shù)量和安裝、調(diào)試與拆解的環(huán)節(jié)。②通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)定高，易形成網(wǎng)絡(luò)延時，影響采集數(shù)據(jù)的同時性。現(xiàn)在，分布式BMS拓撲構(gòu)造在電動汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。例如，特斯拉ModelS、寶馬i3、榮威eRX5以及比亞迪秦等商業(yè)化電動汽車均采用了這類構(gòu)造。圖1-5分布式BMS拓撲構(gòu)造1.4.3BMS的開發(fā)流程BMS的基本開發(fā)流程如圖1-6所示。從圖中可見，無論是動力電池的開發(fā)還是動力電池管理系統(tǒng)的開發(fā)，都是從整車的功率規(guī)定、能量規(guī)定以及其它設(shè)計規(guī)定出發(fā)，再進一步擬定整車對動力電池及管理系統(tǒng)的具體規(guī)定。在動力電池的開發(fā)方面，首先需要對動力電池進行選型，并開展一系列的動力電池單體特性測試以及循環(huán)壽命測試，獲取所選動力電池的性能特性，進而擬定動力電池的成組方式，涉及動力電池單體串并聯(lián)的數(shù)量以及具體的布置形式。在BMS開發(fā)方面，首先需要進行選型，再擬定系統(tǒng)