电池管理系统的硬件发展综述
编者按：为保证锂离子电池工作在安全工作区域内，必须通过管理系统进行有效控制与管理，充分保证电池的安全性、耐久性和动力性;而电池管理系统本身的功能安全特性、可靠性和耐久性都成为汽车企业关注的核心
作者 / 陆珂伟 上海汽车捷能技术有限公司(上海 201300)
陆珂伟(1973-)，男，上海汽车捷能技术有限公司电池部总监，研究方向：电池系统。
摘要：为保证锂离子电池工作在安全工作区域内，必须通过管理系统进行有效控制与管理，充分保证电池的安全性、耐久性和动力性;而电池管理系统本身的功能安全特性、可靠性和耐久性都成为汽车企业关注的核心
发展新能源汽车已经在汽车产业内作为一项基础性共识，也受到全球各国政府的高度重视。动力锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、寿命长等特点，并且成本在过去的几年中持续下降。在电动乘用车发展中，电池管理系统的发展目前已经成为一项核心内容，其管控对象锂电池容量大、串联节数多，系统复杂，作为汽车核心的动力总成的储能单元具有安全性、耐久性、动力性等性能要求高，有效对电池系统进行管理和保证其安全性成为影响电动汽车推广普及的瓶颈之一。为了确保锂离子电池工作在安全工作范围内，必须通过管理系统进行有效控制与管理，充分保证电池的安全性、耐久性和动力性;与此同时，电池管理系统本身的功能安全特性、可靠性和耐久性都成为汽车企业关注的核心，本文将对电动汽车锂离子电池管理系统的硬件发展做一个系统性的梳理。
1 电池管理系统定义和硬件分类
电池管理系统的主要任务是保证电池系统的设计性能，包括：
1)感知电池状态：读取电池单体的电压、电流和温度信息;
2)安全性：根据已知的状态信息，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故;
3)耐久性：使电池工作在可靠的设计范围内，保证工作的温度和SoC区间，延长电池的使用寿命;
4)功率与动力性：维持电池工作在满足车辆要求的状态下，判定电池的充放电功率。
从硬件结构上，电池管理系统由传感器、控制器、执行器、高低压线束等组成，从硬件结构上来看，它有以下的功能模块：
1)电池参数检测(传感器层)：包括电池系统总电压、总电流、单体电池电压检测、温度检测、烟雾探测、绝缘检测、碰撞检测等。
2)接触器控制与电池安全保护(执行层)：电池管理系统具备驱动接触器的电路和诊断接触器各个高压节点的实际状态。电池管理最后手段是断开接触器，诊断到故障后，根据故障的危害来分级处理，并通过串行网络通知整车控制器进行有效处理，在极端情况下超过一定安全阈值时，BMS也可以切断主回路电源，防止违反电池安全目标等对乘员产生伤害。
3)MCU计算核心：这部分是整个电池管理系统的算法，这部分也是电池系统作为一个整车控制器实现既定的功能安全目标最基础的电路结构。
4)故障电路：这部分是有关整个电池管理系统本身和外部的情况的处理，包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断故障类型。
5)均衡电路：整个电池系统的不一致性直接影响电池系统的实际可用容量，这个不一致性会随着时间进行累积。电池均衡电路和相应的控制算法，是根据单体电池信息，采用均衡方式，尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量。
6)电源管理电路和EMC抑制：电池管理系统从电池模组和12V电池上驱电，通过合理的保护电路来管控不同节点的电源情况。由于电池系统处在一个高压大电流的环境里面，外部的负载会导致在母线上会有大量的暂态分量，在电池系统内部的电池管理系统需要具备好的抗电磁干扰能力，这里就要求在电源端，信号端具备良好的布局和处理。
7)网络通讯和唤醒电路：电池管理系统是需要与整车动力总成、车身网络等整车网络节点通信，也需要进行对应的网络管理和唤醒休眠管理。在整个电池寿命周期里面，需要完成刷写配置、在线标定、监控、升级维护等，一般电池管理系统包含多路串行通信网络。
8)信息存储单元：用于存储关键数据，比如在整个生命周期内客户使用的情况，这部分核心内容是记录电池系统超出预期的滥用数据的时间和频次。
9)其他辅助电路：在实际的设计中会考虑加入时钟模块等电路。
10)可选电路：在电池管理系统可以加入绝缘检测电路等。
如图1所示，想要在一块电路板上完成一个大的完整的电池管理系统，其硬件和软件的复杂度，特别是高低压混合的情况比较突出，外围的高低压线束使得整个电池管理系统在硬件设计上难以实现。
2 电池管理系统硬件和架构国内外的发展
正是由于以上的原因，实际在设计过程中，有以下几种实际设计路径，在硬件结构和功能分配上主要采用集中式与分布式两种结构。集中式的电池管理系统是把所有的电池信息测量集中在一个ECU上，然后把很多的功能通过辅助的方式由VCU来进行管控，电池管里系统进行数据的采集、处理和状态估算。而在分布式的电池管理系统中，目前最为彻底的是只把电池系统作为一个低压普通ECU，把接触器控制总成、电池电压和温度测量单元智能化，形成一个内部较为复杂的串行网络单独管理。
2.1 集中式电池管理系统
如图2所示，集中式的电池管理系统在早期电动汽车的设计中出现较早，如典型案例1。在设计上可以节约成本、空间，整个通信过程基本集中在PCB电路板内，有利于传感器采集的信号的同步管理，并且是一个性价比非常高的方案。
在电池管理的算法要求，对于电池单体信号的采样频率与同步对数据实时分析和处理有实质性的要求。在功率输出变化较大时候，在时间上的差异，单体电压之间也会存在同步问题，电压和电流也会有时间差，这会直接影响SoC的估算精度和各个单体SoC不一致性分析。系统对不同信号的数据采样频率和同步要求不同，电压与电流信号变化较快，采样频率和同步性要求很高。在集中式的设计中，最大的优势是可以利用板间通信的高速性保证电压同步，每个采集子板中单体间的电压采样时间差保持很小，电流传感器信号也可以通过自身采集，不需要通过发送CAN时间帧来实现。
其中核心难点在于对于采集芯片ASIC的提升，在系统层面有较多的考虑，所以如案例2往往加入另一个MCU处理核心来辅助检测ASIC的状态，采集部分信号形成额外的诊断和信号管理机制。可以看到，随着采集芯片ASIC的耐压工艺提升和内部运算单元的提高，其故障管理机制和功能安全等级都在提升。
集中式电池管理系统的主要缺点有以下几个方面：
1) 连接器和线束设计复杂：如图2所示，电池管理单元都有6~8个连接器，对应的采样线束走线比较长，使得在计算过程中需要对采样线束的线路阻抗进行测量和校准由于线路压降引起的误差。整个模组内部线路也需要考虑采样线路在不同段出现短路和过流时候的保护。
2) 电路板的尺寸、高压安全和安装：由于集中式把高低压整合在一起，使得整个电路板的尺寸很大，这是由于需要满足高压安全需要在各个电压差上设计足够的安全间距，满足耐压的设计要求。这使得电池系统内需要对电池管理系统的布置提出额外的要求，限制了布置的通用性，不利于电池系统模块化应用。
3) 维修性和可靠性：由于在硬件时间上核算，采集芯片段的ASIC工作时间比较长，通常需要考虑行驶时间(8000小时)和充电时间(20000小时)，这就使得整个电路需要上电工作时间超过了大部分的车载ECU几倍。一个高低压混合而且具有较大电流波动的EMC环境使得电路的寿命和可靠性提出了很大的挑战。从维修性的角度来看，使得硬件设计充满了挑战性。
2.2 分布式管理
另外一种设计方向是通过模块化的设计，由电池管理主系统(BMU)需要完成电池管理的核心算法功能，将接触器的管理功能分配给继电器管理总成(PRA)，完成电池组高压电压采集、电流采集、接触器驱动和诊断、绝缘检测等功能，由电池信息采集板(CMU)完成单体电压采集、均衡和温度测量，整个系统由电池管理主系统(BMU)、继电器管理总成(PRA)和电池信息采集板(CMU)组成内部串行通信网络形成子网连接。电池信息采集板(CMU)布置在动力电池模组上，重点考虑内部模组供电端和12 V供电端得隔离的安全性和抗干扰性，在电源设计上设置足够的电应力冗余，保证能在恶劣的环境中稳定可靠地工作。
分布式管理系统从硬件结构上来看，极大地简化了设计的难度，实现了模块化的考虑，可以在PHEV/EV上实现很大程度的复用，有很大的适用性。其缺点包括：
1)为了保证通信完整性，需要在网络层面做足够的设计，在CAN的高速网络中实现抗干扰的设计和时间同步参考帧来控制每个采集子板中采样数据的时间差。在出现强干扰的情况下，需要采取故障安全设计。
2)成本较高，布置上也需要模组通盘考虑。由于每个板子独立出来，在使用环节需要编号和组网刷写程序;在模组的结构上，可以采取内置和外置的模式，不仅多了PCB、外壳的成本也对整个生产过程有一定的影响。部件的复杂性使得我们对于每个部件的追溯和信息管理都要进行管控，后期维修也需要一定的处理。
上汽电池管理系统在硬件上采取了分布式的硬件架构，在软件上建立了基于AUTOSAR+MBD的软件开发平台，掌握了BMS核心算法开发能力。对各功能进行完全模块化设计，有利于提高软件的开发效率、可靠性、可移植性以及可维护性。
3 结论
电池管理系统的硬件随着电池系统的可靠性和安全性提高，将越来越占据一个重要的角色。在国内电池管理系统的发展目前呈现出良好趋势，整车企业也作为一个独立的开发主体根据电池管理系统的不同要求研发出具有自身特色的技术和产品，满足电动汽车整车的要求。由于电池本身和电池管理系统之间存在着技术难题，电池管理系统还有很大的发展空间，整车企业的深入介入将使得两者结合取得更大的进展。
参考文献：
[1]魏学哲,孙泽昌,邹广楠.模块化的HEV锂离子电池管理系统[J].汽车工程，2004，26(6): 629-631.
[2]卢兰光,李建秋,华剑锋,等.电动汽车锂离子电池管理系统的关键技术[J].科技导报,2016,34{6}.
[3]J CABRERA,A VEGA.TOBAJAS F Design of a reconfigurable LiIon Battery Management System(BMS)[C]∥Proceedings of 2014 XI Technologies Applied to Electronics Teaching.Bilbao: IEEE 2014:1-6
[4]YILMAZM.KREINPT Review of battery charger topologies， charging power levels， and infrastructure for plugin electric and hybrid vehicles [J] IEEE Transactions on Power Electronics 2013，28(5):2151-2169
本文来源于必威娱乐平台 2018年第5期第28页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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