动力电池结构和基础知识科普.docx
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动力电池结构和基础知识科普
动力电池结构和基础知识科普
基本概念
Bms是电池控制系统
Bmu是电池管理单元,
bms包括bmu和bcu
图中,BMU是管理一串电池中的单个电池的管理单元,一般一个BMU管理15/16块电池组成的一个电池组,而BMS是管理N个串并联的电池组,BMS通过电池组上的BMU获取每颗电池的各种参数
第一部分电池管理系统结构
电池管理系统有三种不同的构型,我们可以称为集中式管理系统、半分布式管理系统和分布式管理系统。
1)集中式管理系统(大BMS方式):
这种管理架构,是将所有的采集单体电压&电压备份和温度的单元全部集中在一块BMS板上,由整车控制器直接控制继电器控制盒。
大部分低压的HEV都是这样的结构,PHEV和EV典型的应用如LEAF、Cmax等。
这样做的优点,是相对而言比较简单,成本较低,由于采集备份在同一块板上,之间的通信也简化了。
缺点当然是很明显的,单体采样的线束比较长,导致采样导线的设计较为复杂,长线和短线在均衡的时候导致额外的电压压降;整个包的线束排布也比较麻烦一些,整块BMS所能支持的最高的通道也是有限的。
这种方式成本低,但是适用性也比较差,性能有些地方没法保证,只能适用于较小的电池包。
2)分布式管理系统(BMU+多个CSC方式):
这种是将电池模组(模组和CSC一配一的方式)的功能独立分离,整个系统形成了CSC(单体管理单元)、BMU(电池管理控制器,或电池管理单元)、S-Box继电器控制器和整车控制器,三层两个网络的形式。
典型的应用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和ModelS。
优点是可以将模组装配过程简化,采样线束固定起来相对容易,线束距离均匀,不存在压降不一的问题;如后面分析的那样,当电池包大了以后,这种模式就很有优势了。
缺点是成本较高,如3所示,需要额外的MCU,独立的CAN总线支持将各个模块的信息整合发送给BMS,总线的电压信息对齐设计也相对复杂。
这种方案系统成本最高,但是移植起来最方便,属于单价高开发成本低的典型,电池包可大可小。
3)半分布式管理系统(BMU+少量大CSC方式):
简单一些来说,这就是两种模式的妥协,主要用于模组排布比较奇特的包上,典型的应用如SmartED和Volt。
这是一种是将电池管理的子单元做的大一些,采集较多的单体通道,这样做的好处是整个系统的部件较少,但是需要注意的是这种方式优势不太明显,主要是部件不少而且功能集中度也高一些,是三种方案里面成本较高的方案。
图1三种电池管理系统架构
图2部分主流车辆的管理系统划分
图3分布式和集中式架构基本对比
可以说,如果将整车控制和电池管理系统的放在一起来看的话,整个功能分配会更加完整一些。
当功能进行划分完毕之后,我们可以进一步对各个部件进行硬件和软件的定义。
总的趋势变化:
a)BMS+BMU单元肯定会保留功能
·单体相关的功能(电压、温度测量和备份、均衡)
·SOx的算法和功率限制
·对VCU的通信
·自身的诊断和少量的记录
·绝缘检测
b)可能转移至配电盒转移的功能
·高压测量
·继电器控制和诊断
·电流测量
c)可能转移至整车控制器的功能
·充电控制
·热管理控制
典型的功能分配可以如下图4所示。
图4三种模式的功能分配案例
第二部分集中式LEAF管理系统案例分析
日产的工程师采取了传统集中式的典型布置,这是技术演进的结果(日产从上世纪90年代开始陆续测试试验车PrairieEV、AltraEV和HyperMini),更像是对原有的HEV电池包进行优化。
在整个模块里面,所有的模组都是由BMS直接采集并采用传统的配电盒处理。
BMS功能:
安装在24个模块的侧边,通过6个接插件来连接电池模组内部,电池包配电盒还有车外的连接。
电池内配电盒:
这个配电盒类似于混动配电盒,仅包含主正、主负、预充继电器和预充电阻。
电流传感器:
电流传感器是独立安装的。
图5LEAF内部模组连接示意图
BMS的电路结构如下图所示,可以看出采集48个模块的96个通道的单体电压,所以整个采样部分密密麻麻。
这样的设计,是很难实现较大电流的被动均衡的算法,事实上,这里也没有采取很大的电阻做法。
图6LEAFBMS控制器概览
用了松下的继电器,这块由于松下长期的技术演进倒是没有什么意外的,这里需要注意的是,配电盒有着很强的噪声抑制的设计要求。
图72011和2013的配电盒对比
总的来看,以LEAF为代表的集中式电池管理系统,在电池系统的使用中有着很多的应用限制。
第三部分分布式I3管理系统案例分析
典型的分布式架构,我们可以拿宝马的系统来看,这套系统从BMW与A123合作ActiveHybrid(3,5,7)系列车型就开始用了,后续在I3和I8的电池系统的电子系统中沿用。
如图是在2015年上海车展的均胜电子的展台上拍到的CSC和BMU的实物照片,CSC的芯片一面被遮住了。
CSC功能:
模组侧边安装,实现了单体电压采集、电压备份的功能和温度采集。
主要的芯片为LT6801和6802G-2,通过Freescale的单片机通过总线传送出去了。
BMU功能:
这是非对称结构的MCU布置,在BMU里面实现了绝缘测量、HVIL的功能。
S-Box功能:
这里是实现了继电器、预充电阻、电流测量等一体化的设计。
图8分布式架构
由于CSC有足够的空间来安置采集芯片、备份芯片、均衡电阻,所以即使系统在三防漆处理之后还可以实现56欧的均衡,散热这块的设计相对简单一些。
CSC的功能安全设计也做了精心的考虑,采用CAN信号的光耦耦合输出;同时内部采用运放比较器比较MCU处理过充信号和备份芯片的方式来独立发送过充等功能安全信号。
侧边安装的方式,使得各种长方和正方的模块设计显得游刃有余,相比较而言,iMIEV和A3PHEV的模组上方的设计对模组设计还是有一些限制的,如图11所示。
图92015年上海车展均胜电子展台上的CSC模块
图10车展上的BMU模块照片
图11模组上方的CSC嵌入安装方式
总的来看,电池系统模组化的趋势比较明显,分布式的CSC模块直接安装在模组上方,将电池采样线设计进一步简化。
第四部分产品设计中的考虑
1)BMS的寿命设计对应的工作时间分析
传统的汽车,其实本质上HEV的运行机理和传统汽车一样,我们可以将时间划分为:
a)上车之前的时间:
从芯片厂家出来运输到PCBA的组装厂,成为部件产品,然后运送至整车企业组装厂待上车b)运行时间,也就是开车的时间和c)非运行时间。
我们就按照SAEJ1211里面的两个例子DoorModule8000小时工作时间79600非工作时间(Sleep模式)和变速箱控制器(6000小时/125400小时=131400小时)。
对于BMS来说,HEV的情况下,也是一样的,工作时间最高不超过8000小时就够了。
充电的车辆呢,问题来了,在引擎关闭的状态下,还有个充电状态。
现在我们把估计重新调整一下,如果按照国外的寿命设计要求,15年的车辆预期寿命,可以初步估计为8000小时1.46小时每天的开车时间和10950~32850小时2~6小时每天的充电时间。
充电的时候,BMS部件都得工作啊,这个问题就变成了,不仅仅是开的里程多用的时间长的人对整个BMS系统的寿命形成重度的影响,充电慢的一样。
那我们换一个角度来看,如果是在中国,一个客户预期的寿命是8年,按照50KM的角度,一般需要配置12度电左右,我们再估算一下使用时间的分配。
模式2220VAC&8A输入1.7KW电池系统1.5KW充电时间为8小时,模式3220VAC&16A
输入3.3KW电池系统3.0KW充电时间为4小时=>5840小时2小时每天的开车时间+116800~23360小时4~8小时每天的充电时间。
2)环境负荷分析
电池管理系统,由于有高压部分和低压部分,基本上原有电控单元需要做的12V的电气试验和电气要求都要有,又由于整个电池系统往底盘和车架上装的趋势很明显,机械应力设计要求也不低。
环境这块,同样是安装条件的事情,如果电池包设计的好一些,可能压力小一些。
a)环境设计要求
要有防水功能,这不仅包含电池包IP等级由于密封胶老化,也是考虑内部有凝露或者是内部冷却液泄漏造成,电池系统进液体故障。
考虑到中国的城市下水道问题,这个事情要比国外大城市使用更苛刻。
要有防盐雾和湿热功能,电池系统由于带盐分的空气湿热交变的凝露,产生腐蚀或者绝缘下降等故障。
b)电特性要求:
所有的隔离电路部分的抗电强度大于2000V,绝缘电阻大于10MΩ,爬电距离满足IEC要求。
EMC见下表
满足电故障要求,电源反接、防电源短路、防对地短路、防过压和防引脚短路。
图12普通电控单元负荷要求标准对应表
3)软件系统设计
我对整个软件系统的设计生疏一些。
总的来看,BMS的核心价值不仅仅在相关算法上,离线的电池模型建立和电池寿命预测,也会对BMS内部的软件系统产生很深刻的影响。
这块限于篇幅,这里不展开了,以后有机会再一一介绍。
全文小结
1)本文还是对乘用车用BMS做一些阐述,实际产品设计中整个设计是更严谨和细致的,这里更多的还是提一些概要。
2)电池管理系统的技术还是和电池模组设计和电池包的设计是强相关,目前处于演变快速阶段,这些老的设计概念,也只能作为一个参考。
第五部分锂电池组BMS产品的第三种架构
目前锂电池组BMS产品主要有2种架构,集中式管理系统和分布式管理系统。
集中式成本较低,但是线束比较复杂,而且需要和电池单体一一对应,如果接错会有电池短路起火的风险。
分布式的线束相对简单,但是单体管理单元(CSC)仍然需要和电池单体保持一一对应的关系(通过在CSC上设置软地址或者硬地址来解决),给生产和维护带来了额外的工作量。
而且需要注意的另外一点是,如果要实现主动均衡功能,这两种架构的BMS还需要额外的连线来完成能量的转移。
不仅如此,还需要解决的另一个难题是开关矩阵,就是能量如何从整组电池中流入任一个单体。
目前有在用的方案是通过继电器,实现简单,但也带来了寿命和可靠性的问题。
因为继电器是一个机械电子元件,有寿命的限制和开关动作时粘连的危险。
还有一个解决方案是用电子开关,MOSFET,但是会带来成本和电路复杂性的上升。
从功能实现的角度来看,BMS的所有功能都没有不可逾越的技术门槛,但从实际使用的角度来看,BMS产品的难点在于复杂的线束、一一对应的关系和大电流主动均衡的低成本实现。
集中式管理系统和分布式管理系统都没能很好的解决这些问题。
深圳的一家初创公司提出了第三种架构,积木式架构,干净利索的解决了BMS的难题。
系统由UM(单体模块)、控制器和总线(2线制)三部分构成。
电池组根据单体数量分成一组或多组,每个电池单体配有一个UM模块,该模块为标准模块,没有任何软硬地址设置。
模块为4端口,2个输入2个输出,输入与电池单体正负极相连,输出与每组总线相连;总线为2线制,可以传递数据和能量,主动均衡电流可以达到10A;总线与控制器连接,这样就形成了一个系统。
象搭积木一样,多个系统可以通过CAN总线连接构建成更大规模(百串级别)的电池组能量管理系统,积木式架构由此得名。
组成系统的模块和总线都是标准部件,只有控制器根据系统规模大小会有相应设置。
初看之下,这种架构和分布式架构类似,其UM和分布式的CSC功能相似;但是其UM比CSC要更简洁,更灵活,不用任何地址设置,这也就是说,任意2个UM都可以互相替换,生产和维护效率会高很多,对操作人员要求也没那么高。
总线只有2根线,却把数据传输和能量传输统一起来,解决了线束和矩阵开关的难题。
这BMS的第三种架构,有潜力成为BMS产品的最终架构。
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