介紹

2022-23 年聯(lián)盟預(yù)算為客戶、制造商和經(jīng)銷商帶來了電動(dòng)汽車市場的快速發(fā)展勢頭。電動(dòng)汽車市場參與者意識(shí)到，采用電池即服務(wù) (BaaS) 將大大降低購買電動(dòng)汽車的資本成本至約 30-50%。

當(dāng)然，隨著越來越多的電動(dòng)踏板車、汽車、公共汽車和貨車上路行駛，換電政策將有助于電動(dòng)汽車市場獲得更大的份額。因此，電源設(shè)計(jì)人員將面臨交付可適應(yīng)各種電池和性能要求千差萬別的車輛的系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。就像控制我們身體整體功能的人腦一樣，電池管理系統(tǒng) (BMS) 是 EV 電池組背后的大腦。

電池管理系統(tǒng)具有滿足電池組安全和操作要求所需的電子組件和功能組合。BMS 負(fù)責(zé)管理電池的 SOC（充電狀態(tài)），使其保持在預(yù)定義的范圍內(nèi)，并掃描其 SOH（健康狀態(tài)）的變化。該功能策略涉及屏蔽高電流和大的溫度變化。

讓我們了解電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，電池管理系統(tǒng)的不同部分，以及電池管理系統(tǒng)架構(gòu)圖。

電池管理系統(tǒng)的重要性

電池管理系統(tǒng)是在電池組中執(zhí)行關(guān)鍵操作的總指揮，并提供以下功能：

• 電壓、電流和溫度控制和測量

• SOC和SOH評(píng)估

• 故障檢測

• 被動(dòng)電池平衡

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)組件分析

圖：電池管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

電池管理系統(tǒng)主要有6個(gè)組成部分。

1. 電池監(jiān)控器
2. 截止 FET
3. 溫度監(jiān)控
4. 電池電壓平衡
5. BMS 算法
6. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)

下面我們來看一下電池管理系統(tǒng)各個(gè)組成部分的意義和應(yīng)用：

1.電池監(jiān)控器

電池監(jiān)控器主要監(jiān)控電池系統(tǒng)的電壓。它是一種高速系統(tǒng)，可為高壓測量提供較低的總成本。

• 確定電池組電量的最簡單方法是根據(jù)設(shè)定的電壓水平監(jiān)測單個(gè)電池的電壓。

• 當(dāng)?shù)谝还?jié)電池的電壓達(dá)到電壓限制時(shí)，充電自動(dòng)跳閘。它表示已達(dá)到電池充電限制。

• 如果電池組的電量低于平均電池電量，則電量最少的電池將首先達(dá)到極限，其余電池將保持部分充電狀態(tài)。

2. 截止 FET

FET 驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)負(fù)載和電池組充電器之間的連接和隔離。行為預(yù)測是通過電壓、電流測量和實(shí)時(shí)檢測電路完成的。

• 它們可以連接到電池組的低側(cè)或高側(cè)。

• NMOS FET 激活是實(shí)現(xiàn)高側(cè)連接所必需的，并且需要電荷泵驅(qū)動(dòng)器。固體接地的參考是使用高側(cè)驅(qū)動(dòng)器為其余電路設(shè)置的。

• 由于不需要電荷泵，我們使用低側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器來降低集成解決方案的成本。在這種情況下不需要高壓設(shè)備。

• 電池組的接地連接使用低側(cè)截止 FET 浮動(dòng)。這會(huì)影響 IC 性能，使其對(duì)暗示的噪聲測量更加敏感。

3、溫度監(jiān)測

隨著產(chǎn)品要求的提高，電池在以固定電壓輸送電流方面一直處于持續(xù)激增狀態(tài)。連續(xù)的操作過程可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸等災(zāi)難性事件。

• 我們可以使用溫度測量來確定電池充電還是放電是可取的。

• 溫度傳感器監(jiān)控緊湊型便攜式應(yīng)用的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)或電池組。

• 電路溫度由內(nèi)部 ADC 電壓供電熱敏電阻監(jiān)控。采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)有助于減少溫度誤差并改進(jìn)整體測量系統(tǒng)。

4.電池電壓平衡

確定電池組的健康狀況至關(guān)重要。這就是為什么要進(jìn)行電池電壓監(jiān)測以確保電池處于適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)較長的電池壽命的原因。

• 鋰離子電池的工作電壓范圍為 2.5V 至 4.2V。

• 在超出電壓范圍執(zhí)行電池操作時(shí)，電池壽命會(huì)受到顯著影響。這會(huì)縮短電池的使用壽命，甚至可能使其無法使用。

• 并聯(lián)電池組會(huì)增加整體驅(qū)動(dòng)電流，而串聯(lián)會(huì)增加整體電壓。

5. BMS 算法

根據(jù)收到的信息實(shí)時(shí)做出快速有效的決策。為此，需要一個(gè)用于電池管理系統(tǒng)的微控制器來收集、組織和評(píng)估來自傳感電路的信息。

• Renesas 的 ISL94203 是采用電池管理系統(tǒng)算法的最著名示例。它是嵌入在具有可編程功能的單芯片中的獨(dú)立數(shù)字解決方案。

• 可以使用這些獨(dú)立解決方案清除電池管理系統(tǒng)時(shí)鐘周期的內(nèi)存空間和微控制器。

6.實(shí)時(shí)時(shí)鐘

允許用戶在任何警報(bào)事件發(fā)生之前了解電池組的行為，實(shí)時(shí)時(shí)鐘充當(dāng)時(shí)間戳和內(nèi)存存儲(chǔ)的黑匣子系統(tǒng)。

• BMS 電子設(shè)備無法通過電池身份驗(yàn)證與第三方電池組同步。

• 外圍電源電路通過電壓基準(zhǔn)/穩(wěn)壓器圍繞電池管理系統(tǒng)的組件使用。

電池管理系統(tǒng)如何工作？

電池管理系統(tǒng)跟蹤電池組中每個(gè)電池的狀態(tài)。確定 SOC（充電狀態(tài)）和 SOH（健康狀態(tài)）有助于估算在不損壞電池的情況下安全充電和放電操作所需的電流量。

電流限制起到切斷作用，防止電池過度充電。這可以保護(hù)電池組的電池電壓不受高或低波動(dòng)的影響，從而延長電池壽命。

BMS 始終跟蹤電池組的充電和放電活動(dòng)并監(jiān)控電池電壓。此數(shù)據(jù)有助于確定電池是否耗盡，維持被動(dòng)電池平衡。

CAN（控制器局域網(wǎng)）總線是內(nèi)部通信的可靠單元，驅(qū)動(dòng)著大多數(shù)消息傳遞協(xié)議。IEM（Intelligent Electric Meter）估算電池組狀態(tài)參數(shù)，總電流，電池組電壓。它將信息傳輸?shù)?CMU（中央監(jiān)控單元）或子控制器單元。

子控制器單元快速檢測溫度和電壓信號(hào)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。BCU（Battery Control Unit）從CAN總線獲取信號(hào)，并通過傳回電池組管理和建模所需的控制信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。

圖：電池管理系統(tǒng)布局

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電池管理系統(tǒng)的類型：

根據(jù)電池組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池管理系統(tǒng)有 4 種類型。他們是：

集中式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)：

從下圖中可以看出，所有的電池包都直接與中央BMS相連。

集中式BMS的優(yōu)點(diǎn)
1.緊湊性
2.可行性

集中式 BMS 的缺點(diǎn)
電池?cái)?shù)量越多，支持相同電池所需的端口數(shù)量就越多，導(dǎo)致布線、布線和連接器數(shù)量增多。它會(huì)在故障排除和維護(hù)時(shí)引起并發(fā)癥。

模塊化電池管理系統(tǒng)：

BMS 被分組為各種重復(fù)模塊，就像集中式實(shí)施一樣，其中每個(gè)模塊都與單獨(dú)的線束相關(guān)聯(lián)，并連接到電池組的相鄰指定部分。

模塊化 BMS 的優(yōu)點(diǎn)
1. 減少計(jì)算量
2. 增加添加更多功能的空間

模塊化 BMS 的缺點(diǎn)
1. 總體成本較高
2. 根據(jù)應(yīng)用重復(fù)未使用的功能

主電池管理系統(tǒng)：

這個(gè)概念幾乎類似于模塊化拓?fù)?，但在這里，從站更局限于僅傳輸測量信息，而主站則負(fù)責(zé)計(jì)算、控制和外部通信。

一次電池管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
1. 成本更低
2. 功能更簡單

一次電池管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)
1. 功能選項(xiàng)較少
2. 不適合縮放操作

分布式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)：

分布式電池管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由模塊組成，其中軟件和硬件以通過布線連接的模塊形式嵌入。所有電子硬件都與控制板上監(jiān)控下的電池或模塊同步。

分布式電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢
1. 減少電纜捆綁
2. 自主處理通信和處理

分布式電池管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)
1. 維護(hù)成本高
2. 成本較高
3. 走線較深，故障排除困難

基于物聯(lián)網(wǎng)的電池管理系統(tǒng)

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的出現(xiàn)讓電動(dòng)汽車行業(yè)確信，測試和產(chǎn)品開發(fā)還有很長的路要走。通過基于物聯(lián)網(wǎng)的電池管理系統(tǒng)，具有高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、計(jì)算時(shí)間和工作量呈指數(shù)級(jí)減少。電池運(yùn)行期間捕獲的所有數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行分析并無縫傳輸?shù)皆破脚_(tái)。

通過先進(jìn)的診斷算法，數(shù)據(jù)由電池組傳感器測量，分析每個(gè)電池單元的狀態(tài)。通過單一基地的大數(shù)據(jù)收集，用于機(jī)器學(xué)習(xí)的電池管理系統(tǒng)算法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)測和優(yōu)化，徹底改變我們對(duì)電池生命周期和性能的方法。

此外，通過用無線物聯(lián)網(wǎng)通信代替有線通信，BMS 的可靠性得到提高。

以下是將物聯(lián)網(wǎng)用于電池管理系統(tǒng)的 4 大優(yōu)勢

1、遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過先進(jìn)的診斷算法持續(xù)監(jiān)控和保持電池狀態(tài)的準(zhǔn)確性，并配備高計(jì)算能力。

2. 生命周期預(yù)測

基于全生命周期運(yùn)行數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)準(zhǔn)確預(yù)測耗盡趨勢。

3、故障預(yù)測與檢測

通過大數(shù)據(jù)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)不同層次的系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4. 評(píng)估與優(yōu)化

通過評(píng)估不同運(yùn)營案例的電池系統(tǒng)大數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并采取運(yùn)營策略。

智能 BMS 云分析工具

IONDASH（iondash.io 電池云平臺(tái)）是 Bacancy 的云電池分析安全平臺(tái)，有助于遠(yuǎn)程鏡像電池狀態(tài)。

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• 型號(hào)：BMS-16S-xxA、BMS-22S-xxA）

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它是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)云電池管理系統(tǒng)，使用它可以檢查和監(jiān)控電池。內(nèi)置保險(xiǎn)絲電路保護(hù)的存在可保護(hù)電池組免受任何不需要的電壓和電流尖峰的影響。

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結(jié)論

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