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浅析电动汽车BMS的功能实现

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MAGTRON
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LV6
高级工程师
  • 2023-12-12 13:02:33


工业革命以来,汽车行业蓬勃发展,传统的燃油车在排放方面也给生态环境带来巨大的影响。2021年交通运输碳排放占全社会碳排放10.4%。绿色发展已成为全球共识,截至目前共有197个签署了《格拉斯哥气候协议》、138个做出了净零排放承诺。“能源电气化,电气绿色化”也是迈向碳中和的重要战略,因此发展新能源汽车不仅是我国从汽车大国迈向汽车强国的必经之路,也是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。
电池是电动汽车的动力来源,其容量及能量密度影响着汽车的续航,其品质影响着汽车的安全性能。如何避免应用中的电池过度充、放电,改善电池组中各单体电池的不对称性,提高电池组的效率,延长其使用寿命都是电动汽车的关键技术问题。电池管理系统(Battery Management System, BMS)作为连接电动汽车电池组、整车系统和电机的重要桥梁,通过与动力电池紧密结合的传感器,对电池的电压、电流、温度等进行实时检测,实现对汽车电动系统的全面管理。
总之,作为电池系统的核心,BMS在电动汽车中扮演着重要的角色。对BMS关键技术的探究具有重要意义。
一、BMS的功能模块
图1.jpg

图1 BMS功能一览
BMS是动力电池的中枢,负责管理、维护、监控电池各个模块,肩负着安全保护、提高能量利用率、延长电池使用寿命、帮助电池正常运行的重任。
BMS主要的功能包括:电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充放电与均衡管理、热管理及安全保护等等。
二、功能核心技术实现
1、电池状态监测
BMS要实现诸多功能,首先得实现对电压、电流、温度等电池物理数据的采集。
1.1、电压监测
电动汽车电池由几千节单体电池经过并联、串联组成,以满足汽车对电压及容量的要求。因此每只电池的状态变化都会影响电池组的性能。电压是反应电池运行状态的重要参数,因此必须对电压进行实时监测。
GB/T 38661-2020(电动汽车用电池管理系统技术条件)对电压检测精度有明确的要求,如图2所示:

图4.jpg
图2 GB/T 38661-2020对电压监测的要求
BMS主要利用专用的电池电压监测芯片对多单体电池的电压进行采集测量,也就是AFE芯片(Analog Front End)。目前市场占比较大的厂商有:ADI、ST、TI、NXP等。
以ADI的LTC6811为例,图3是推荐采样电路图:
图3.jpg
图3 LTC6811推荐采样电路
其中电池单体通过串联的方式依次叠加,采样芯片与电池连接如图所示,并且由100Ω的串阻及10nF的电容组成RC电路进行滤波,实现对电压的采集。
由于芯片处理的是数字信号,而采集到的信号是模拟信号。所以LTC会通过ADC(Analog ToDigital Converter,模数转换器)将采集到的模拟信号转化成数字信号进行计算、储存及显示。
1.2、温度监测
温度对电池性能的影响是最大的,反映在电池容量、电压和使用寿命上:温度降低,电池内阻加大,电池化学反应速度放慢,导致电池功率和能量输出下降;温度升高,则会加剧电池内部的反应速度,但是较高的温度会破坏电池内部的化学平衡,影响电池的使用寿命。
一般来说,锂离子电池适宜的工作温度为15°C~35°C,而电动汽车的实际工作温度为-30°~50°C。因此需要根据电池的温度进行散热或者供暖,也就是汽车的热管理。所以精确采集电池温度是及其重要的。
GB/T 38661-2020中对温度监测精度的要求如下:


图4 GB/T38661-2020对温度监测的要求
对电池的温度采样电路,基本都是通过ECU测量外置的NTC电阻阻值,然后根据R-T曲线转换成电池的温度值。
NTC温度传感器主要以Mn、Cu等金属元氧化物为材料,经过陶瓷和半导体计算结合制成,其工作原理是:温度较低时,复合材料载流子数目少,电阻值较高,当温度升高时,载流子的数目相应增加,电阻对应降低,其R-T曲线如图5所示。

图5.jpg
图5 不同温度系数的热敏电阻R-T曲线
由图5可以看出R-T曲线并直线对应关系,在低温中阻值变化较大,高温变化较小,测量时会有较大的误差,所以需要在工作电路中加入三极管,使测量精度更高,工作电路如图6所示:
  • 图6.jpg
图6 温度采样原理图
在低温时,传感器电阻值大,线路中仅10kΩ接通,三极管截止。此时传感器电阻值与10kΩ电阻阻值接近,因而测得数值更为准确;在高温时,传感器电阻值变小,届时阻值远小于10kΩ,ECU使三极管导通,电路通过1kΩ电阻与三极管串联后和10kΩ电阻并联,经过传感器搭铁,此时阻值与1kΩ相近,这样即使温度升高也能保证测量的准确性。
1.3、电流监测
汽车动力电池的充电、放电功率都是非常大的,在BMS工作时,总电流是需要特别关注的参数之一。当发生短路、过流故障时,电流的检测就是保护电池的第一道屏障。电流的监测相比电压跟温度不同。在数量上,整个动力电池系统中只有一个总电流的信息需要监测;l在频率上,电流采样的频率会非常高以满足SOC(State Of Charge,电池荷电状态)评估的要求。
GB/T 38661-2020中对电流精度监测的要求如下:

图7.jpg
图7 GB/T38661-2020对电流监测的要求
目前应用在BMS中的电流采集方案有两种:一种是采用分流器,根据最基本的电压电流关系来进行测量;另一种是基于电流传感器的电流监测,其中分为霍尔传感器和磁通门传感器。
1.3.1、分流器方案
分流器方案是在电池工作回路中串联一个分流电阻,然后通过测量两端的压降再根据欧姆定律计算回路电流,其原理图如下:

图9.jpg
图8 分流器测电流原理图
其中的分流电阻是一个阻值非常小的电阻,市面上主流为0.1mΩ、0.15mΩ,而电动汽车的工作电流一般为500A,测量的压降往往在50mV以下,所以需搭配放大电路使用。
1.3.2、传感器方案
传感器方案分为霍尔传感器和磁通门传感器,均为间接式测量方案。下图是霍尔电流传感器的原理图:

      
图8.jpg
图9 霍尔电流传感器原理图
霍尔电流传感器是基于霍尔效应原理进行工作的。当原边线路通过电流时,电流会在磁芯上产生磁通量,在磁芯间隙中,霍尔元件的载流子受到洛仑兹力的影响,使运动的轨迹发生偏移,并在材料的两端产生电荷累积,形成垂直于电流方向的电场。也就是说当有原边电流通过时,霍尔元件会产生一个mV级的感应电压,再经过运算放大器等电子电路,转化成副边电流,从而计算出原边电流。
磁通门电流传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量电流的一种方式,工作原理如下图:
图10.jpg
   
图10 磁通门电流传感器原理图
磁通门电流传感器工作时,其中的芯片会发出一个固定的高频率交流方波,使磁芯处在一个往复饱和的状态;当被测电流为0时,则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波,波形正负上下对称(如图 10 右上方波形);当由被测电流不为0时,被测电流会在磁芯中产生一个磁场,这个磁场会与激励信号的磁场叠加或抵消,叠加时使磁芯提前饱和,抵消时使磁芯延迟饱和,导致副边感应电流发生偏置(如图10右下方波形),此振幅差与被测电流成比例关系,因此通过测量此振幅差来计算被测电流。
以上就是目前应用较多的电流检测方案,他们各有优缺点:
分流器拥有精度高、温漂小、价格低及输出频率高等优点,但是不足的地方首先是会产生热损耗。假设电流为500A,会产生约25W的发热功率,这对PCBA来说是较大的发热,需要良好的散热设计。随着电动汽车里程容量提升,汽车的电流上限会提高,其发热损耗也会加大;其次是隔离问题,由于分流器是串联进主电路的,因此需要增加隔离器件对低压供电和CAN信号传输电路进行进行隔离保护,导致成本上升。
霍尔电流传感器拥有价格低、响应快、电路简单等优点,但是由于实际使用上输入输出曲线并非完全的线性关系,因此在精度方面会比另外两种差。特别是在小电流测量时,误差凸显比较明显。
磁通门电路传感器上限电流可以做到很大,并且受温度影响小、发热小、精度高,可以为BMS提供电流保护及SOC计算支持,也是目前市场上最受欢迎的方式。缺点是会受外部磁场的干扰,因此需要在设计时需考虑磁干扰。
各个方法的特点总结入下表:
表1.jpg
2、电池状态分析
SOC(State Of Chanrge,电池荷电状态)和SOH(State Of Health,电池健康状态)是电池系统中的2个重要参数,为电池安全保护、充放电控制、热管理等功能提供参考,因此精确及时的获取SOC/SOH信息对于提高电池寿命和保障电池安全至关重要。然而,作为电池内部参数,SOC特别是SOH无法被直接且准确的测量,只能通过处理电池的电气特性,对SOC/SOH进行估计。
2.1、SOC的估计
SOC是反映电池当前可用容量占最大可用容量百分比的一个参数,计算公式为:
公式1.jpg


SOC就是我们常说的剩余电量,它的估算方法一般有直接法跟间接法,具体如下图所示:

图12.jpg
图11 电池SOC估算方法
2.1.1 安时积分法
安时积分法是通过计算电池在充放电时测量电流对时间的积分来估计SOC的,计算公式如下:

公式2.jpg

式中:t0为初始时刻;tk=t0+k* Dt, Dt为采样间隔;SOCk和SOC0分别为tk和t0时刻的SOC值;h为库伦效率;Ik-1为k-1时刻的电流
举个例子, 1组容量为100Ah的电池能够以100A电流放电1个小时。假如以50A电流放电1个小时,则SOC就为50%,那再以50A电流放电半个小时,则SOC就为25%。也就是通过能量守恒计算SOC,所以电流的采样精度越高、采样时间越快,那SOC的估算就越准确。
但是从计算公式中不难看出,其中误差点也很明显:
1、SOC初始值,由于电池的启停是随机的,其起始和终止的状态无法确定,并且随着电池老化或者环境变化,会导致电池最大可用容量发生变化,因此很难获得准确的SOC初始值;
2、由于电流在运行中不是恒定的,采集过程中的误差会由于积分计算不断累积,导致SOC的误差逐渐增大,因此需做类似满充的矫正措施;
2.1.2、开路电压法
开路电压法是一种查表法,根据测量到的电压,在SOC-OCV关系表中找到对应的SOC,部分SOC-OCV关系表如下图:
图13.jpg
图12 SOC-OCV关系表
该方法在实际应用中主要会受到以下限制:
1、不同电池的SOC-OCV关系是不同的,需找到对应的关系图才能找出对应SOC;
2、此方法需要在电池处于平衡状态时精度才高,要达到令人满意的平衡状态,电池需进行长时间的静置;
3、有些类型的SOC-OCV关系在中部曲线非常平缓,导致很小的OCV误差也能导致很大的SOC误差。
4、电池老化及工作环境也会对SOC-OCV曲线有影响。
目前SOC主流的估计方法是安时积分法跟开路电压法联合使用,再结合滤波、模型、温度等矫正方式进行测算。
2.1.3、基于模型的方法
基于模型的方法首先建立电池数学模型,根据输入信号计算模型输出值,然后与实际值进行比较,不停的更新模型状态跟系统状态,给出SOC估计结果。不同的电池、不同的电路需要建立的模型不一样,导致此方法计算量较大。此方法目前也是主要的发展方向。
2.1.4、机器学习方法
机器学习的方法是通过神经网络等算法拟合测量信号(电压、电流、表面温度等)与SOC的关系,根据测量信号直接对电池SOC进行估算。
此方法需要大量的数据及计算,对硬件算力要求较高。出于成本的考虑,目前该方法的应用面较窄。
2.2、SOH的估算方法
SOH是用来评估电池老化或衰退程度的一个重要指标,该参数以百分比的形式表示健康状态,新电池的SOH为100%。其中电池容量和内部阻抗是计算电池SOH的常用指标,一般电池SOH低于80%就应该更换了。
3、电池能量控制
电池是将化学能转化成电能的装置,在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用,其中核心是能量的存储与转化,也就是电池的充放电过程。
3.1、电池的充电原理
以单节锂电池为例,电池的充电过程可以分为四个阶段:恒流预充、大电流充电、恒压充电以及充电终止。
恒流预充:用于电池完全放电后恢复性充电,避免大电流充电对电池寿命产生影响。
大电流充电:当电池电压上升到恒流充电阈值时,即能提高充电电流,进入快速充电阶段,电压会随着充电进行快速升高,直至电压达到额定电压。
恒压充电:当电池电压上升到额定电压时,采取恒压充电,电流根据电芯的饱和程度,随着充电时间慢慢减少。
充电终止:当电流强度减少到0.01C时,认为充电可以终止。
电池组的充电过程与其类似,区别是电动车电池组是由电池串联及并联组成的,需要采取均衡充电方法,在各单体电池上加上并联均衡电路,起分流作用。当某个电池先充满时,均衡装置能阻止电池过充,将多余的能量转化为热能,并继续对未充满的电池充电。
3.2、电池均衡管理
电动车电池组是由多个电池组成的,由于生产过程或者使用损耗等问题,各电芯的电量多少都会存在差异,其影响会导致相对较快充满的电池过充,由于保护电路的纯在,未充满的电池将会停止充电,造成容量丢失,而放电时为了避免电池过放,保护电路会在出现容量低于设置值的电池时切断供电,也会造成容量丢失,也就是“木桶原理”,因此,为了保持电池的一致性,则需要对电池组做均衡管理。
其中均衡分为被动均衡跟主动均衡:
被动均衡一般采用电阻放电,使较高电量单体放电至较低电量的单体一致。这种方法电路简单可靠,也是目前市场应用较多的方法。考虑到目前电动汽车的电池一致性越做越好,电池在长时间使用后的散差其实很小,因此被动均衡的性价比较高;
主动均衡则是利用电容、电感或者DC-DC实现均衡。其原理是将高电量单体的能量放到电容等储能元件进行储存,再控制储能元件连接低电量单体进行充电。主动均衡具备电能利用率高、均衡速度快等优点,但是存在均衡电路结构复杂、成本高以及可靠性低等问题,目前有着较高的技术壁垒。
4、电池安全保护
电池保护是BMS的核心功能,保障电池在常态及工作状态下都能安全运行,通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成。保护板是由电子电路组成,在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流,及时控制电流回路的通断;PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。
4.1、过充过放保护
电池在充电前期为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到额定电压,之后转为恒压充电,使充电电流逐渐降低,当电池的充电电路失去控制,会使电池压超过额定电压后继续恒流充电,此时会导致电池电压继续上升,电池的化学副反应将会加剧,造成电池损坏等安全问题;当电池加入过充保护功能时,实时电压超过额定电压时,IC首先会发出告警,提醒切断电流,如上升到一定电压,IC将会发出信号,强制断开充电电路,并且控制电池对外进行放电。
放电保护原理也类似,当电池电压降低至告警值,保护电路会发出信号提醒电量过低,当放电至限制电压时,保护电路将发出信号使电路切断,保证电池电压不再降低,由于保护电路也是由电池进行供电的,因此保护电路需设计低功耗模式,供电池电量过低时使用。
4.2、过流保护
由于电池的化学特性,电池放电电流强度最大不能超过2C,当超过此电流值时将会导致电池永久性损坏或者出现安全问题。下图是BMS电流采集原理图。为了保证信号的精度,传感器的输出信号一般都为电压信号,控制IC会对传感器信号进行处理。当电路中的电流达到设置值时,IC会输出一个开关信号,切断输出回路,起到保护电池的作用。
图14.jpg
图13 磁通门电流传感器在BMS保护的应用
4.3、温度保护
电池组热管理是BMS的重要功能之一,其作用是使电池组能保持在合适的温度下工作,充分发挥电池组最佳工作状态。调整策略包括冷却、加热及温度均衡等。冷却和加热是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进行相应的调整,温度均衡则是减少电池组内部的温度差异,防止部分电池过热造成寿命快速衰减。
汽车动力电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷三大类。风冷是利用自然风或者车内制冷风流经电池表面达到换热冷却的效果;液冷是利用专用的冷却液管路来加热或者冷却动力电池,目前这种方式是主流的方式,能同时起到冷却跟加热的作用;直冷系统则是使用制冷剂对动力电池进行冷却。
5、电池信息管理
BMS对电池参数、告警,都需要传输给对应的处理器,进行显示或者储存。使用在电动汽车上的传输方式主要为CAN(Controller Area Network,控制器局域网总线技术),主要用于汽车上各种传感器数据的传递。

Magtron采用磁通门原理打造高性价比、高精度、低零飘、高采集频率的电流传感器CSM系列,可用于电动汽车BMS系统。由公司自主研发的SoC芯片也可以为客户提供专有的技术解决方案,满足各项车规标准,基于市场实时的最新需求,不断升级完善,致力于解决工业、电动汽车、储能行业等各项电流、漏电流采集问题,为各行业电力设备保驾护航。
图15.jpg
参考文献:
[1].李沂洹.《锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法》
[2].朱永康.《BMS中传感器的应用与技术发展趋势》
[3].倪红军.《电池管理系统电压采样电路的设计与研究》  
[4].GB/T 38661-2020.《电动汽车用电池管理系统技术条件》
[5].GB/T27930.《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通讯协议》
[6].李林琳.《锂电池管理系统的研究与设计》
[7].董艳艳.《纯电动汽车动力电池及管理系统设计》

图2.jpg
Schut1n
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