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電池管理系統BMS的工作原理

2018-06-06 · 來源: 電子發燒友 關注度:228319 次
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BMS
摘要:電池管理系統,不同電芯類型,對管理系統的要求往往并不一樣。

電池管理系統概念

電池管理系統,BMS(BatteryManagementSystem),是電動汽車動力電池系統的重要組成。它一方面檢測收集并初步計算電池實時狀態參數,并根據檢測值與允許值的比較關系控制供電回路的通斷;另一方面,將采集的關鍵數據上報給整車控制器,并接收控制器的指令,與車輛上的其他系統協調工作。電池管理系統,不同電芯類型,對管理系統的要求往往并不一樣。

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▌電池管理系統功能

一般而言電動汽車電池管理系統要實現以下幾個功能:

1、準確估測動力電池組的荷電狀態:

準確估測動力電池組的荷電狀態(StateofCharge,即SOC),即電池剩余電量,保證SOC維持在合理的范圍內,防止由于過充電或過放電對電池的損傷,從而隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態。

2、動態監測動力電池組的工作狀態:

在電池充放電過程中,實時采集電動汽車蓄(應該為動力電池組)電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓,防止電池發生過充電或過放電現象。

同時能夠及時給出電池狀況,挑選出有問題的電池,保持整組電池運行的可靠性和高效性,使剩余電量估計模型的實現成為可能。除此以外,還要建立每塊電池的使用歷史檔案,為進一步優化和開發新型電、充電器、電動機等提供資料,為離線分析系統故障提供依據。

3、單體電池間、電池組間的均衡:

即在單體電池、電池組間進行均衡,使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡。目前已投入市場的BMS,大多采用的是被動均衡。均衡技術是目前世界正在致力研究與開發的一項電池能量管理系統的關鍵技術。

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▌電池管理系統原理

電池管理系統(BMS),即BatteryManagementSystem,通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態來確定整個電池系統的狀態,并根據它們的狀態對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施,實現對動力電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。

典型電池管理系統拓撲圖結構主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來說,由中央處理單元(主控模塊)、數據采集模塊、數據檢測模塊、顯示單元模塊、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等構成。一般通過采用內部CAN總線技術實現模塊之間的數據信息通訊。

基于各個模塊的功能,BMS能實時檢測動力電池的電壓、電流、溫度等參數,實現對動力電池進行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測等,并且能夠計算動力電池剩余容量、充放電功率以及SOC&SOH狀態。

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▌電池管理系統的主要組成

(1)電池終端模塊(主要進行數據采集,如:電壓參數、電流參數、溫度、通信信號等);

(2)中間控制模塊(主要與整車系統進行通訊,控制充電機等);

(3)顯示模塊(主要進行數據呈現,實現人機交互)。

為滿足相關的標準或規范,BMS的這些組成模塊要完成的如下工作:

(1)電池參數檢測。包括總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(防止出現過充、過放甚至反極現象)、溫度檢測(最好每串電池、關鍵電纜接頭等均有溫度傳感器)、煙霧探測(監測電解液泄漏)、絕緣檢測(監測漏電)、碰撞檢測等;

(2)電池狀態估計。包括荷電狀態(SOC)或放電深度(DOD)、健康狀態(SOH)、功能狀態(SOF)、能量狀態(SOE)、故障及安全狀態(SOS)等;

(3)在線故障診斷。包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。故障檢測是指通過采集到的傳感器信號,采用診斷算法診斷故障類型,并進行早期預警。

電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統的傳感器故障、執行器故障(如接觸器、風扇、泵、加熱器等),以及網絡故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等;

(4)電池安全控制與報警。包括熱系統控制、高壓電安全控制。BMS診斷到故障后,通過網絡通知整車控制器,并要求整車控制器進行有效處理(超過一定閾值時BMS也可以切斷主回路電源),以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害;

(5)充電控制。BMS中具有一個充電管理模塊,它能夠根據電池的特性、溫度高低以及充電機的功率等級,控制充電機給電池進行安全充電;

(6)電池均衡。不一致性的存在使得電池組的容量小于組中最小單體的容量。電池均衡是根據單體電池信息,采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式,盡可能使電池組容量接近于最小單體的容量;

(7)熱管理。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求,決定主動加熱/散熱的強度,使得電池盡可能工作在最適合的溫度,充分發揮電池的性能;

(8)網絡通訊。BMS需要與整車控制器等網絡節點通信;同時,BMS在車輛上拆卸不方便,需要在不拆殼的情況下進行在線標定、監控、升級維護等,一般的車載網絡均采用CAN;

(9)信息存儲。用于存儲關鍵數據,如SOC、SOH、SOF、SOE、累積充放電Ah數、故障碼和一致性等;

(10)電磁兼容。由于使用環境惡劣,要求BMS具有好的抗電磁干擾能力,同時要求BMS對外輻射小。

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▌怎樣構成電池管理系統

為一個新的和基于電池的電源系統設計監視器電路,那么你會采取什么策略來優化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統的首選結構以及電池和有關電子組件的位置。基本結構清楚以后,接下來必須考慮的一個問題是,電路拓撲的權衡協調問題,例如,怎樣優化最終產品的通信和互連。

電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復雜的電池模塊(或電池組)嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池,因而由于重量問題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制?

這也許是設計變數最大的部分,因為外形新穎的電池不斷上市,而且人們也在不斷努力,務求電池模塊或電池組集成到產品中后,會與整個產品概念更加一致。例如,在汽車設計情況下,電池最終也許分散在車輛上的某些空間中,這些空間如果不放電池,利用效率很低。

另一個考慮因素是,電池(或模塊化電池組)、電池管理系統(或其子系統)以及最終應用接口之間的測試信號和/或遙測信號的互連。

在大多數情況下,可以做一個外殼,用來集成電池模塊或電池組中的某些數據采集電路,以便如果需要調換,那么生產ID、校準、使用規格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統(BMS)或維修設備可能有用,而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導線的數量。

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接下來,就給定的機械概念設計而言,監視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車應用中,一般情況下總共會有100個以上的電池測量點,而且系統的模塊化將決定一個給定的電路系統測量多少個電池。最常見的情況是,以安全斷接“維修插頭”方式,將所有電池分成至少兩個子組。

通過在故障情況下保持電壓低于200V,這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著,要采用兩套隔離的數據采集系統,每套也許支持50個電池分接頭。在有些情況下,所有電子組件都在一個經濟實惠的印刷電路板上,但是這需要大量互連,如圖1(a)所示。

或者,電子組件也可以分散放置,更加緊密地集成在電池模塊中,但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實現可靠的數據完整性,內置于汽車線束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協議,例如廣泛使用的CAN總線。

盡管真正的CAN總線接口涉及幾個網絡層,但是可以很方便地采用PHY層構成BMSLAN結構,以高效率地進行模塊內的通信。這類分布式結構如圖1(b)所示。該拓撲允許在幾個小型處理器之間分配計算工作量,從而降低所需的數據傳輸速率,并減輕LAN方法可能引起的EMI問題。最終的BMS應用接口很可能是至一個主系統管理處理器的CAN總線接線,而且將需要定義(或在一開始規定)特定的信息事務處理。

其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言,需要電池容量平衡,從而導致了額外的熱量管理問題(去除熱量),而且如果需要有源平衡,還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上,以提供一種將電壓讀數與充電狀態關聯起來的方法,因而需要一些支持電路和連接方案。設計時一個常常忽視的考慮因素是,當產品安裝之前閑置或儲存在貨架上時,電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下,額外的控制配線是必要的。

在上面實現的這些結構中,都有一個常見的測量功能構件,該構件包括一個多通道ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖2電路顯示了一個實現數據采集功能的可擴展設計平臺。

在這個圖中,實現功能的核心組件是凌力爾特的LTC6803電池組監視器IC,同時顯示的還有一個SPI數據隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能,構成了一個完整的12節電池數據采集解決方案。如果需要,這類電路可以簡單地復制,以支持更多電池測量方案,同時共享主微控制器的本地SPI端口,該主微控制器反過來再提供外部CAN總線或其他LAN型數據鏈路所需。

與前一代監視器件相比,LTC6803的主要改進是,支持電源停機和/或單獨由電池組供電。當電源從V+引腳去掉時,電池加載將降至零(僅有nA級半導體泄漏)。工作電源可以由接通的電池組電壓提供,或從一個單獨的電源提供給V+,只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實現簡單性,LTC6803還可以直接從電池組獲取功率,在這種情況下,最低功率狀態(即備用)將僅消耗12uA電流。

LTM2883數據隔離器通過一個內部隔離的DC-DC轉換器,從主處理器供電,因此該器件將自動與主處理器一起斷電。LTM2883的一個非常有用的功能是,它還能向隔離的電子組件(即電池端)提供很大和得自主機的功率。

一個小型升壓電源功能組件(圖2中的LT3495-1)就是這樣驅動的,以獨立地給LTC6803供電,以便電池僅提供ADC測量輸入電流(即在有效轉換時平均值《200nA)。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏,同時消除了任何電池的工作電流失配,否則這種失配可能逐步導致電池容量失衡。

LTC6803的一個方便的功能是,有兩個自由的、準確度與電池輸入類似的ADC輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進行輔助測量,包括溫度、校準信號或負載電流測量。一種尤其有用的測量是,用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓,實現方法如圖2所示(采用12:1的比例,連接到VTEMP1輸入)。

當電路斷電時,相關的FET斷開,這樣對電流的測量就不會不必要地加重電池的負擔。既然該端口的濾波可以獨立于電池輸入來定制,那么為了實現精確的充電電流計算所需的、真正高達200sps的奈奎斯特(Nyquist)采樣率是可能的。可以利用對單個電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟件校準,這樣就不需要價格昂貴的電阻器了。

輔助輸入的另一個非常有用的用法是,測量準確度很高的校準電源(諸如凌力爾特的LT6655-3.3,一個準確度為0.025%的基準),在這種用法中,允許軟件憑借通道至通道的固有匹配,校正其他所有通道。請注意,熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準,這些探頭一般也不需要12位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接,從而留出高性能LTC6803的輔助輸入,以實現要求更加苛刻的功能。

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總之,在電池管理系統電路中需要考慮的因素有很多,特別是那些決定封裝限制的因素。當封裝設計思想匯聚在一起時,考慮一下也有可能產生機械影響的電子線路與信息流的結構(例如:連接器化和導線數目)同樣也是很重要。

一旦權衡過這些因素而且封裝設計思想成熟之后,只需直接插入一款采用LTC6803平臺,一個聲名卓著、可擴展和具成本效益的數據采集解決方案便大功告成了。

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