电动大巴系统电池BMS主控制器和应用层软件设计

高压(600 VDC)和低压(12-24VDC)系统都可以使用APM。飞兆半导体向汽车市场提供用于高压和低压系统的APM器件，它们几乎都用来驱动三相马达和制动器。两种电压范围的APM都采用直接键合铜(DBC)技术来实现热传导。

低压(LV)意味着以更大的电流来驱动通常与该类型解决方案相关联的较大负载。低压应用使用30V~60V N沟道MOSFET。电动助力转向和电驱动液压混合转向是两种最普遍的LV-APM解决方案。峰值相位电流能够达到100A以上。这需要大的铜质内部结构，用于芯片焊盘(die paddle)和电流通路以及多个大电流粘合引线。正温度系数(PTC)器件、无源EMC元件、分流器都达到了更高的集成度并提高了可靠性。电动助力转向中使用APM是实现机电一体化封装和低系统成本的关键。在静态停车时，相比液压系统，降低寄生引擎负载可以减小车辆引擎的尺寸，从而更小型车辆。低压模块用于EV/HEV车辆，也用在传统的内燃式引擎汽车上。

高压应用主要包括由高母线电压或主电池组供电的泵和风扇。典型的峰值相位电流<20A。这一市场中的模块化解决方案类似于许多工业市场中的应用，并使用类似的功率模块，IGBT和MOSFET解决方案均可使用。典型的模块有高压栅极驱动器，以及在共桥回路处用于诊断的某种电流水平感测。高压结构必须考虑到引脚间隙要求。在热管理方面，产品分为带或不带增强热传导的类型。模块化解决方案是小型集成解决方案的关键，功率处理器件位于制动器附近，甚至工作于变速箱等极端环境中。高压模块几乎都用于EV/HEV车辆中。

有朋友在前端时间问问BMS在大巴和乘用车里面的结构差异，这个事情适合在假期里面写，万一写错了也第一时间可以系统的来改改。其实数数全球的商用车(大巴+卡车)，大致的方向还是沿着就有的习惯做HEV，国内总体而言，是以纯电动+PHEV为主的。

这是一个比较典型的案子，按照原有的A123的成组方式，比较有趣的是模组一级和BMU一级完全是一样的，所以我们来对比两个案子，美国的Navistar也是拿着A123的大模组来做的。

1)上汽和万向合资BEV大巴的系统图

这个图包括模组成组，电池包布置还有系统框图，其中模组(含BMU)这一级，基本是电池厂出来各个产品(大车、小车)都能用了

2)Navistar的HEV电池包

欧洲和美国也用了不少A123的电池系统，整个结构是非常类似的。

纯电大巴的电池系统结构，大体根据结构工程师来布置，分成4～8个包;HEV+PHEV的包呢，分的数量少一些都包在一起。

这里的这张图，是以前在分析五洲龙和沃特玛电池时候画的，这里的几个问题其实是普遍存在的：

1)电池包分别布置在多个区域，导致区域内的各种环境条件(温度、振动)

2)单个包，配置BMU或者继电器之后，本身的安全性需要独立设计，加继电器的，整个控制系统的低压控制线和通信线所受的回路比较大

3)某些系统是先串联然后总的进行并联配置，如下图比亚迪的系统设计

从BMS的角度来看，电源的电压系统与BMS

1)电源系统是基于24V系统，电源系统的特别是抑制这块需要单独设计，由于BMS的电源部分需要用个Buck电路来替代LDO

2)CAN抑制，同上由于线束的布置问题，CAN上面的串扰不是一点点大

3)均衡，由于大巴容量很大，很多公司用了加大的被动均衡或者主动均衡

4)由于大巴的电源波动，某些公司甚至独立配了个12V备份电源

我个人是觉得，未来纯电大巴可能形成三个分布式BMS系统，独立算三个堆的参数模式，汇总到VCU这块可能更好一些。

BMS硬件包含CPU、电源和采样IC、隔离变压器、CAN模块、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件结构如图2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓扑结构。集中式把电子部件归纳在板块内，采样芯片由菊花链接主芯片通信，链路简单，成本低廉，缺点是稳定性不足。分布式由主板、从板组成，系统配置灵活，通道利用率高，适用于各类电池组，缺点是电池模组数量不足时造成通道浪费。

BMS的主控制器具备处理上报来的信息、综合判断电池运行情况、实现控制策略并处理故障信息功能。高压控制器具备收集上报总电压、电流，并为主板提供载荷情况(SOC)、健康状况(SOH)所需数据，实现预充电、绝缘两项检测功能。从控制器具备单体电池信息采集上报，拥有动平衡功能，可以保持电芯的动力输出一致性。采样控制线束具备同时在每一根电压采样线上添加冗余保险功能，可避免电池外部短路故障(图2)。

1.2 底层软件

根据汽车开放系统结构(AUTO motive Open System Ar-chitecture，简称AUTOSAR)，架构为了减少对硬件设备的依赖性，将BMS划分为诸多通用功能区块。能够对不同的硬件实现配置，并对应用层软件影响较小。其需要通过RET接口与应用层软件链接，介于故障诊断事件管理(DEM)、故障诊断通信管理(DCM)、功能信息管理(FIM)以及CAN通信预留接口等灵活性要求，应当从应用层进行配置。

1.3 应用层软件

应用层涵盖了高低压管理、充电管理、状态估算、均衡控制以及故障管理等，如图3所示。

1)高低压管理主要是需要上电时，VCU通过硬线(CAN信号)的12V激发BMS，待后者完成自检后闭合继电器上高压;需要下电时，VCU下达指令断开12V信号，或者在充电时由CP(A+)信号激发。

2)充电管理中慢充流程较为简单，而快充需要在45min内完成冲入电量80%，要通过充电辅助电源A+信号激发，目前国标中对快充尚未完成统一，即存在2011和2015两个快充版本。

3)SOC是状态估算功能的核心控制算法，表示电池剩余容量，通过特定的安时积分法计算得出;SOH是判别电池的寿命状态及电池充满状态下的容量，一般低于80%的电池不得继续使用;SOP需要根据温度及SOC换算得出，能够在电池临界之前及时发出信号让电力系统限定部分功能;SOE算法是用来估算剩余续航里程的，当前开发得较为简单，因此新能源电动车续航里程常常不准确，俗称“空电”现象。

4)均衡控制的作用是均衡单体电池放电不一致，由于电路当中必将由于性能最差的单体电池的截止而截止，造成其余性能完备电池蓄存量的浪费。均衡控制分为主动和被动，其中主动控制将单体间能量进行转移，其结构复杂且成本较高，而被动控制除会浪费部分能量外，优势更为明显，目前备受厂家青睐。

5)故障诊断主要是根据数据采集、一般性故障、电气设备故障、通信故障和电池故障等情况，划分不同故障等级，并采取对应措施。