詳解電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)，電動(dòng)汽車電源管理技術(shù)的最新進(jìn)展
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 14:14
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由于汽車電氣化的水平發(fā)展，乘用車用電池管理系統(tǒng)，未來可以在低壓?jiǎn)?dòng)電池(12V&48V)和高壓HEV電池(1kwh~1.5kwh)和PHEV電池(4～18kwh)和BEV電池(20～85kwh)等電池系統(tǒng)里面看得到。低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)差異很大。電池系統(tǒng)差異在各個(gè)車廠和各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)之間都比較大，各個(gè)企業(yè)有自己的風(fēng)格，本文主要通過對(duì)不同廠家的產(chǎn)品做資料分析，根據(jù)各個(gè)車廠未來應(yīng)用的內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)按照目前的模塊化策略，來整合分析電池管理系統(tǒng)。應(yīng)該說未來各家車廠設(shè)計(jì)理念的演變，使得高壓電池系統(tǒng)是有一定的相似性的，這里主要敘述高壓電池包里面的電池管理系統(tǒng)的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集中式管理系統(tǒng)案例分析、分布式管理案例分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮幾個(gè)部分。限于本人的水平和對(duì)案例的認(rèn)知有限，難免有些偏差或者錯(cuò)誤，在這里僅是拋磚引玉，請(qǐng)各位讀者海涵。
第一部分 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電池管理系統(tǒng)有三種不同的構(gòu)型，我們可以稱為集中式管理系統(tǒng)、半分布式管理系統(tǒng)和分布式管理系統(tǒng)。
1)集中式管理系統(tǒng)(大BMS方式)：這種管理架構(gòu)，是將所有的采集單體電壓&電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，由整車控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結(jié)構(gòu)，PHEV和EV典型的應(yīng)用如LEAF、Cmax等。這樣做的優(yōu)點(diǎn)，是相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，成本較低，由于采集備份在同一塊板上，之間的通信也簡(jiǎn)化了。缺點(diǎn)當(dāng)然是很明顯的，單體采樣的線束比較長(zhǎng)，導(dǎo)致采樣導(dǎo)線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，長(zhǎng)線和短線在均衡的時(shí)候?qū)е骂~外的電壓壓降；整個(gè)包的線束排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方?jīng)]法保證，只能適用于較小的電池包。
2)分布式管理系統(tǒng)(BMU+多個(gè)CSC方式)：這種是將電池模組(模組和CSC一配一的方式)的功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)形成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)、S-Box繼電器控制器和整車控制器，三層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形式。典型的應(yīng)用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優(yōu)點(diǎn)是可以將模組裝配過程簡(jiǎn)化，采樣線束固定起來相對(duì)容易，線束距離均勻，不存在壓降不一的問題；如后面分析的那樣，當(dāng)電池包大了以后，這種模式就很有優(yōu)勢(shì)了。缺點(diǎn)是成本較高，如3所示，需要額外的MCU，獨(dú)立的CAN總線支持將各個(gè)模塊的信息整合發(fā)送給BMS，總線的電壓信息對(duì)齊設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。這種方案系統(tǒng)成本最高，但是移植起來最方便，屬于單價(jià)高開發(fā)成本低的典型，電池包可大可小。
3)半分布式管理系統(tǒng)(BMU+少量大CSC方式)：簡(jiǎn)單一些來說，這就是兩種模式的妥協(xié)，主要用于模組排布比較奇特的包上，典型的應(yīng)用如Smart ED和Volt。這是一種是將電池管理的子單元做的大一些，采集較多的單體通道，這樣做的好處是整個(gè)系統(tǒng)的部件較少，但是需要注意的是這種方式優(yōu)勢(shì)不太明顯，主要是部件不少而且功能集中度也高一些，是三種方案里面成本較高的方案。
可以說，如果將整車控制和電池管理系統(tǒng)的放在一起來看的話，整個(gè)功能分配會(huì)更加完整一些。當(dāng)功能進(jìn)行劃分完畢之后，我們可以進(jìn)一步對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行硬件和軟件的定義
傳統(tǒng)的汽車，其實(shí)本質(zhì)上HEV的運(yùn)行機(jī)理和傳統(tǒng)汽車一樣，我們可以將時(shí)間劃分為：a)上車之前的時(shí)間：從芯片廠家出來運(yùn)輸?shù)絇CBA的組裝廠，成為部件產(chǎn)品，然后運(yùn)送至整車企業(yè)組裝廠待上車b)運(yùn)行時(shí)間，也就是開車的時(shí)間和c)非運(yùn)行時(shí)間。
我們就按照SAEJ1211里面的兩個(gè)例子Door Module 8000小時(shí)工作時(shí)間 79600非工作時(shí)間(Sleep模式)和變速箱控制器 (6000小時(shí)/125400小時(shí)=131400小時(shí))。對(duì)于BMS來說，HEV的情況下，也是一樣的，工作時(shí)間最高不超過8000小時(shí)就夠了。充電的車輛呢，問題來了，在引擎關(guān)閉的狀態(tài)下，還有個(gè)充電狀態(tài)?，F(xiàn)在我們把估計(jì)重新調(diào)整一下，如果按照國(guó)外的壽命設(shè)計(jì)要求，15年的車輛預(yù)期壽命，可以初步估計(jì)為8000 小時(shí) 1.46小時(shí)每天的開車時(shí)間和10950～32850小時(shí) 2～6小時(shí)每天的充電時(shí)間。充電的時(shí)候，BMS部件都得工作啊，這個(gè)問題就變成了，不僅僅是開的里程多用的時(shí)間長(zhǎng)的人對(duì)整個(gè)BMS系統(tǒng)的壽命形成重度的影響，充電慢的一樣。
那我們換一個(gè)角度來看，如果是在中國(guó)，一個(gè)客戶預(yù)期的壽命是8年，按照50KM的角度，一般需要配置12度電左右，我們?cè)俟浪阋幌率褂脮r(shí)間的分配。模式2 220V AC &8 A 輸入1.7KW 電池系統(tǒng)1.5KW 充電時(shí)間為8小時(shí)，模式3 220V AC&16 A
輸入3.3KW 電池系統(tǒng)3.0KW 充電時(shí)間為4小時(shí)=>5840 小時(shí) 2小時(shí)每天的開車時(shí)間+116800～23360小時(shí) 4～8小時(shí)每天的充電時(shí)間。
2)環(huán)境負(fù)荷分析
電池管理系統(tǒng)，由于有高壓部分和低壓部分，基本上原有電控單元需要做的12V的電氣試驗(yàn)和電氣要求都要有，又由于整個(gè)電池系統(tǒng)往底盤和車架上裝的趨勢(shì)很明顯，機(jī)械應(yīng)力設(shè)計(jì)要求也不低。環(huán)境這塊，同樣是安裝條件的事情，如果電池包設(shè)計(jì)的好一些，可能壓力小一些。
1)本文還是對(duì)乘用車用BMS做一些闡述，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中整個(gè)設(shè)計(jì)是更嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的，這里更多的還是提一些概要。
2)電池管理系統(tǒng)的技術(shù)還是和電池模組設(shè)計(jì)和電池包的設(shè)計(jì)是強(qiáng)相關(guān)，目前處于演變快速階段，這些老的設(shè)計(jì)概念，也只能作為一個(gè)參考。
拯救我們的地球，讓地球遠(yuǎn)離污染！這是世界各地的科學(xué)家和有識(shí)之士對(duì)降低溫室氣體排放的一致呼聲。由化石燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)?。雖然推動(dòng)汽車行進(jìn)的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是：電動(dòng)汽車。
電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中集成一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)部件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能器件如鋰離子電池組成。這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過優(yōu)化來最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車一次充電能夠達(dá)到最長(zhǎng)的行駛距離。電子技術(shù)的這些發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)呐欧艅?chuàng)造了條件。
電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)
電動(dòng)汽車(EV)靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車(HEV)也一樣，只是它還利用一個(gè)化石燃料點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大限度地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時(shí)不增加碳排放，理想情況下更是顯著降低碳排放。
電動(dòng)汽車的碳化硅(SiC)電源
電動(dòng)汽車的重量、體積和成本以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源部件非常適合在汽車常見的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看碳化硅電源部件在提高系統(tǒng)效率方面的作用。
更輕的重量意味著里程數(shù)的延長(zhǎng)。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。我們知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等有源元件的尺寸和重量可以縮小。擁抱碳化硅(SiC)解決方案吧。
雖然硅(Si)電源器件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢(shì)是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬帶隙的半導(dǎo)體器件，而較寬的帶隙意味著較高的臨界電場(chǎng)(臨界電場(chǎng)是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙(WBG)SiC器件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至高得多的速度(更高的動(dòng)能)來克服更寬的帶隙。
雖然砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場(chǎng)，也是針對(duì)大功率解決方案的改進(jìn)型器件，但SiC還有其它一些優(yōu)勢(shì)，諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量帶來的更具魯棒性的抗輻射性能。
SiC器件在電動(dòng)汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能幫助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能夠受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能夠在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。
氮化鎵(GaN)對(duì)于電動(dòng)汽車的電源改進(jìn)也功不可沒。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流/直流控制中廣泛使用的IGBT一直是基于硅的產(chǎn)品。這些設(shè)計(jì)的開關(guān)時(shí)間通常在10kHz至100kHz數(shù)量級(jí)，而GaN器件的開關(guān)時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)，并且能夠輕松地工作在200℃的汽車環(huán)境下。
就像SiC一樣，GaN器件由于具有更高的開關(guān)速度，因此也能縮小電源架構(gòu)中電感、電容和變壓器的尺寸，還能因無源器件尺寸的縮小而減少總的體積和重量。
我們將根據(jù)電動(dòng)汽車電池的化學(xué)成分分析它們的功效，比如基于鋰的化學(xué)成分以及具有高能量密度的NiMH。如前面SiC器件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長(zhǎng)的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。
硅器件的開關(guān)速度和最小導(dǎo)通電阻已經(jīng)達(dá)到最大極限，GaN似乎是超越這些極限的一種可行的方案。實(shí)驗(yàn)表明，如果開關(guān)頻率可以提高5倍，電感和電容的體積就可以縮至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。
GaN功率器件在4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)卓越：高溫工作，更高的擊穿電壓，低導(dǎo)通電阻，適合更高工作頻率的納米級(jí)開關(guān)速度。在這些優(yōu)勢(shì)方面GaN與SiC類似，而它們的區(qū)別有兩點(diǎn)：LED和射頻晶體管一直使用GaN；許多硅制造工藝兼容GaN工藝，與SiC較高的基底成本相比，降低了晶圓成本及工藝成本。
由于早在2003年就解決了可靠性問題，因此今天的技術(shù)成就了已經(jīng)投產(chǎn)的第一批GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件。這些都是常態(tài)導(dǎo)通器件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將使器件關(guān)斷。早期使用的是SiC基底，一旦Si基底能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。2014年實(shí)現(xiàn)的新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)將常通器件變?yōu)榱顺嗥骷?/div>
自那以后驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，集成度越來越高，電源逆變器也有了顯著進(jìn)步。GaN器件在電動(dòng)汽車的電池充電器中也有不凡表現(xiàn)，這些充電器由交流/直流轉(zhuǎn)換器加直流/直流轉(zhuǎn)換器組成。這種組合就是一種功率因數(shù)控制器
