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[导读]硬件的设计和具体选型要结合整车及电池系统的功能需求,通用的功能主要包括采集功能(如电压、电流、温度采集)、充电口检测(CC和CC2)和充电唤醒(CP和A+)。

BMS主要包括硬件、底层软件和应用层软件三部分,下面就来给大家详细介绍一下:

硬件

1、功能

硬件的设计和具体选型要结合整车及电池系统的功能需求,通用的功能主要包括采集功能(如电压、电流、温度采集)、充电口检测(CC和CC2)和充电唤醒(CP和A+)、继电器控制及状态诊断、绝缘检测、高压互锁、碰撞检测、CAN通讯及数据存储等要求。

2、架构

BMS硬件架构分为分布式和集中式:

(1)分布式包括主板和从板,可能一个电池模组配备一个从板,这样的设计缺点是如果电池模组的单体数量少于12个会造成采样通道浪费(一般采样芯片有12个通道),或者2-3个从板采集所有电池模组,这种结构一块从板中具有多个采样芯片,优点是通道利用率较高,节省成本;

(2)集中式是将所有的电气部件集中到一块大的板子中,采样芯片通道利用最高且采样芯片与主芯片之间可以采用菊花链通讯,电路设计相对简单,产品成本大为降低,只是所有的采集线束都会连接到主板上,对BMS的安全性提出更大挑战,并且菊花链通讯稳定性方面也可能存在问题。

3、通讯方式

采样芯片和主芯片之间信息的传递有CAN通讯和菊花链通讯两种方式,其中CAN通讯最为稳定,但由于需要考虑电源芯片,隔离电路等成本较高,菊花链通讯实际上是SPI通讯,成本很低,稳定性方面相对较差,但是随着对成本控制压力越来越大,很多厂家都在向菊花链的方式转变,一般会采用2条甚至更多菊花链来增强通讯稳定性。

4、结构

BMS硬件包括电源IC、CPU、采样IC、高驱IC、其他IC部件、隔离变压器、RTC、EEPROM和CAN模块等。其中CPU是核心部件,一般用的是英飞凌的TC系列,不同型号功能有所差异,对于AUTOSAR架构的配置也不同。采样IC厂家主要有凌特、美信、德州仪器等,包括采集单体电压、模组温度以及外围配置均衡电路等。

底层软件

按照AUTOSAR架构划分成许多通用功能模块,减少对硬件的依赖,可以实现对不同硬件的配置,而应用层软件变化较小。应用层和底层需要确定好RTE接口,并且从灵活性方面考虑DEM(故障诊断事件管理)、DCM (故障诊断通信管理)、FIM(功能信息管理)和CAN通讯预留接口,由应用层进行配置。

应用层软件

软件架构主要包括高低压管理、充电管理、状态估算,均衡控制和故障管理等等。

1、高低压管理

一般正常上电时,会由VCU通过硬线或CAN信号的12V来唤醒BMS,待BMS完成自检及进入待机后VCU发送上高压指令,BMS控制闭合继电器完成上高压。下电时VCU发送下高压指令后再断开唤醒12V。下电状态插枪充电时可通过CP或A+信号唤醒。

2、充电管理

(1)慢充

慢充是由交流充电桩(或220V电源)通过车载充电机将交流转化为直流给电池充电,充电桩规格一般有16A、32A和64A,也可通过家用电源进行充电。可通过CC或CP信号唤醒BMS,但应保证充电结束后能正常休眠。交流充电流程比较简单,按照国标详细规定开发即可。

(2)快充

快充是由直流充电桩输出直流给电池充电,可实现1C甚至更高倍率充电,一般45min可充进80%电量。通过充电桩的辅助电源A+信号唤醒,国标中快充流程比较复杂,同时存在2011和2015两个版本,而且充电桩生产厂家对于国标流程未明确的技术细节理解不同也给车辆充电适配性造成极大的挑战,因此快充适配性是衡量BMS产品性能的一项关键指标。

3、估算功能

(1)SOP(State Of Power)主要是通过温度和SOC查表得到当前电池的可用充放电功率,VCU根据发送的功率值决定当前整车如何使用。需要兼顾考虑释放电池能力和对电池性能进行保护,比如在达到截止电压前进行部分功率限制,当然这会对整车驾驶感受产生一定影响。

(2)SOH(State Of Health)主要表征当前电池的健康状态,为0-100%之间数值,一般认为低于80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示,用容量时即通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量,与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池衰减时其他模块的估算精度。

(3)SOC(State Of Charge)属于BMS核心控制算法,表征当前的剩余容量状态,主要通过安时积分法和EKF(扩展卡尔曼滤波)算法,并结合修正策略(如开路电压修正,充满修正,充电末端修正,不同温度及SOH下的容量修正等)。安时积分法在保证电流采集精度条件下比较可靠,但鲁棒性不强,由于存在误差累计必须结合修正策略,而EKF鲁棒性较强,但算法比较复杂,实现难度大。国内主流厂家一般常温可以做到精度6%以内,在高低温和电池衰减时的估算是难点。

(4)SOE(State Of Energy)算法国内厂家现在开发的不多,或采用较为简单的算法,查表得到当前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于剩余续航里程估算。

霍尔效应(HallEffect)传感器变化的磁场转为变化的电压,其属于间接测量。可分为开环式、闭环式两类,后者精度较高。霍尔电流传感器简化了电路,仅要连通直流电源正负极,将被测电流母线穿过传感器便完成主电路和控制电路的隔离检测,如图4所示。传感器输出信号为副边电流,和原边电流(输入信号)成正比,数值较小,需进行A/D转换。霍尔电流传感器集互感器、分流器优点于一身且结构更为简单,但易受干扰,已不适用于越来越精密复杂的新能源电动车电源环境。

磁通门原理(FluxGate)即为易饱和磁芯在激励电流影响下,激励电流大小改变电感强度,进而改变磁通量大小,磁通量则如同门那样打开或者闭合。

普通霍尔电流传感器精度在0.5%~2%之间,而磁通门电流传感器利用磁通门原理制作而成,精度能够达到0.1%甚至更高,因此也称之为高精度电流传感器。结构上有也有开口型和不开口型两类,即有开环和闭环两类。此处着重介绍闭环磁通门电流传感器,即放大磁通门激励电流二次谐波信号,驱动补偿线圈,使聚磁磁芯的磁通和原边电流的磁通相抵消,保持“零磁通”状态;对于HPIT系列磁通并不为零,是一种无二次谐波的对称形状,所示。

磁通门电流传感器从结构上分为4类,分别是单磁环、双磁环、双磁环(屏蔽)、多磁环(嵌套)。

由于集具磁通门原理高灵敏性、闭环磁平衡与匝比输出严格对应性、整体磁芯封闭性、探头补偿消除振荡谐波影响输出干净性等优点,因此闭环磁通门电流传感器被广泛应用于各型新能源电动车产品当中,如特斯拉Model3、比亚迪汉、理想ONE、小鹏P7等畅销车型。

2.1.3 穿隧磁阻效应电流传感器

穿隧磁阻效应(TMR)电流传感器是全新一代磁敏元件,较霍尔器件、各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)相比,拥有能耗低、温漂低、灵敏度高等优点,能够明显改善电流检测的灵敏度与温度特性。

2.2 温湿度传感器

2.2.温度传感器

温度对于BMS性能发挥意义重大,为了进一步提升电池利用率,防止电池过度放(充)电,掌控电池工况,增加电池使用寿命,内置NTC温度传感器来监测温度。

NTC温度传感器主要由Mn等高纯度金属元素的氧化化合物经过陶瓷技术和半导体技术结合制成,工作原理为这些材料载流子数目少,电阻较高,当温度升高时,载流子数目相应增加,电阻对应降低(图7)。其拥有电阻率高、热容小、响应快,阻值与温度线性关系优良,能弯曲、价格低、寿命长等优点。常用的有3类:地环外壳NTC温度传感器,俗称“地环型”;环氧树脂封装NTC温度传感器,俗称“水滴头”、“小黑头”;薄膜NTC温度传感器。

2.2.2 湿度传感器

湿度传感器就是一种把环境湿度量转变成能够被电信号标记的设备或者装置,常见的湿度传感器测量的量为相对湿度。现在新能源电动汽车BMS常用的湿度传感器有电阻式湿敏元件和电容式湿敏元件。其原理是在基片上涂敷一层用感湿材料膜,环境中水蒸气吸附在膜上时,元件电阻率、电阻值会变化,就能测出湿度。

湿度因素在新能源电动车电池管理系统中尤为难以捕捉,但对于电池的性能、寿命影响巨大。对传感器的湿度输出予以温度补偿,得到线性电压,输入到带有ADC的新能源电动汽车的BMS当中。

2.3 电压传感器

电动汽车供电系统的电池组由几百个串联电芯联通,故而测量电压的通道需求较大。串联电池组为累计电压,但单个电池电动势并不相同,不能简单采用单向补偿法消去误差。电池电压采集需要高精度,达到1mV,而目前采集精度仅有5mV。

电压传感器能够让被测电池电压转换成可输出信号的传感器,新能源电动汽车用的电致发光效应电压传感器是测量发光材料在被测电压发光强度情况来获得被测电压有效数值。同传统的光学电压传感器相比,基于电致发光效应的电压传感器将不再用载波光源,一方面消除载波光源测量的不稳定性,另一方面也对传感器结构进行简化、降低生产成本。

2.4 位置传感器

BMS中的位置传感器是一项《电池温控管理系统及电动汽车》实用新型专利当中提到的,目前在新能源电动汽车中尚未广泛应用。

位置传感器主要是用于检测BMS系统中水冷装置中冷却液面的位置情况。位置传感器被安装在冷却水浮漂上,用于对冷却液相对于膨胀水壶液面位置进行检测,得到膨胀水壶的出液口同所述液体的接触情况。通常至少需要3个浮漂,并在每个浮漂上安装位置传感器,以便于车辆在经过陡坡等路段或冷却系统中存有大量气泡时,BMS及时调节控制主水泵与副水泵进行切换运行。

2.5 气体传感器

新能源汽车动力电池热失控,电池起火前通常会产生大量异常气体(一氧化碳/氢气/氟化氢/TVOC)等,通过CO传感器、氢气传感器诊断到故障后,发出预警,并要求整车控制器进行有效处理。电池管理系统 (BMS)全面监测电池的健康状况。不同的传感器各有优劣势,一般会通过多个不同的传感器检测动力电池热失控情况。

2.5.1 一氧化碳传感器

为了尽可能减少人员伤亡及损失,及时发现火情,提前预警,显得非常重要。 动力电池热失控,电池起火前通常会产生大量CO,因此监控CO的浓度无疑是一种有效的解决方案。一旦超过报警阈值,启动报警启,疏散人员及启动灭火,从而争取到更多宝贵的时间。

2.5.2 氢气传感器

对于新能源汽车而言,氢气传感器不仅能用于监测储氢瓶和燃料电池系统中氢气的泄露,还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。新能源汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度,从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

3 电池管理系统传感器技术发展趋势

3.1 功能集成化趋势

新能源电动汽车一直在朝向轻量化方向发展,与此同时对于部件的集成化要求更加严苛。BMS是一个结构复杂、功能集成的管理系统,其体积较小,因此要求传感器具备多功能一体性,进而能够用最少数量传感器就能够全面监控电池系统。在发生异常时,也能够更快更准的找到故障点。

3.2 监测精准化趋势

未来产品对传感器技术的监测数据精度将越来越精细,对于电流电压、温湿度等数据的采集需要更精准的数据,从而提升用户对电池系统工况的准确掌握。下一步需要从理论仿真、实验研究两个方面同时入手,研究探索出新一代监测高效高精度的BMS传感器。

3.3 产品安全化趋势

功能安全是新能源电动汽车的基本要求,也是传感器技术发展的必然趋势。一方面是需要确保传感器产品自身使用安全性,另一方面则是传感器支撑起来的整个BMS的安全性,这都将直接或间接影响行车安全性,影响用户的驾驶体验与人身安全。

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