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动力电池系统硬件系统架构设计分析

来源:杭州高特电子设备有限公司      发帖时间:2018-06-19      浏览次数:607

电动汽车所用电池的数量较多,所用电池系统的结构各不相同,比如电动大巴车可能需要多个电池包,而A00的微型车可能只有一个电池包,而每个电池包的电池成组方式、电池模组的结构也各不相同,这也决定了电池管理系统的具有不同的拓扑结构。在电池管理系统中,通常分为两个功能模块,即电池监测模块和电池组控制模块。研究BMS的拓扑结构,就是研究两个功能模块之间的组成关系。常见的拓扑关系一般一体式BMS、主从式BMS和分布式BMS

1、 一体式BMS

在微型电动车上,电池数量较少,一般采用一个电池包系统,为降低系统成本,方便系统布置,一般采用电池监测模块和电池组控制模块集成到一个板子上实现的一体机方案。典型的系统是72V微型车系统、144V微型车系统,一般采用24串一体式BMS48串一体式BMS

一般一体式BMS系统简单,成本较低,占用电池系统箱的空间较少,维护起来也比较简单。但是一体式BMS只适用于一个电池包,且电池数量不多的应用场合,因为如果电池数量多,一体式BMS所能提供的接口数量不能满足电池数量的要求;另外,一体式BMS往往因为采集线过多、过长而造成潜在的安全隐患。

2、 主从式BMS

主从式的BMS产品由一个主控模块与若干个从控构成。

其中,主控模块主要实现以下功能。        

(1)对整个电池系统的总电压和总电流进行监测,监测电池系统的绝缘状态;

(2)SOCSOHSOP等状态进行估算;

(3)进行均衡决策,制订均衡策略等;

(4)控制预充电电路、总继电器等;

(5)与整车控制器进行通信;

(6)通过与充电机进行通信而控制电池组的充电过程

......

相应地,从控模块负责监测电池单元的电压和温度,并对电池实施具体的均衡控制,等等。

图(1)所示为主从式BMS的主控模块与从控模块之间的关系。主从式BMS主要应用在电池较多的系统里,尤其是多个电池包系统,比如电动大巴,电动乘用车、电动物流车上。目前根据市场上应用时采集芯片方案的不同,从控模块的采集电压的串数一般是1214或者16的倍数,比如24串、42串、48串、64串等串数的从控模块。一般应用时可以根据动力电池系统中电池模块的配置来进行搭配选择,例如一个96串的电池系统,可以使用一个主控模块搭配248串的从控模块来进行管理,也可以是一个主控模块搭配424串的从控模块的配置,这主要取决于电池系统的构成方式。

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3、 分布式BMS

为降低电池系统成本和提高电池系统安全可靠性,便于动力电池的梯次利用和全生命周期的管理,动力电池的模组化、标准化以及智能化的需求愈来愈强烈。为了满足电池组模块化、标准化的需求,这就要求电池管理系统的分布式实现。

分布式管理系统是将电池模组和电池采集单元集成在一起,实现智能化、标准化电池模组。该结构的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;易于电池模组标准化、模块化,便于电池的梯次利用等。这种架构通过总线方式解决了线束复杂的难题,而且安装相对简单,效率高,柔性好,适合不同电池组规模大小。

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针对电池标准模组设计的分布式BMS方案,具有以下特点:

.根据电池标准模组的串数定制的不同串数的电池模组。在这里,要充分考虑了几个方面的因素:客户的需求;电池模组使用的灵活性;未来模组化标准化的便利性;单体电池失效对模组的影响;合理的尺寸和重量;模组布线的复杂性;系统成本等等;

.将采分布式集模块集成到电池模组内,采集线束固化在模组结构中。使从控模块成为电池模组的一个构件,采集线安装成为电池模组的一个标准工序,便于PACK的标准化生产,提高效率,降低成本;

.取消延伸在电池模组外的高压采集线束,大大提高了系统的安全性和可靠性;

.取消延伸在电池模组外的采集线束,降低了线束成本;

.包含BMS的一体化智能电池模组使得电池梯次利用成为可能,可在梯次利用时直接将一体化电池模组进行组合,而无须对单体电池进行拆解、重新成组、重新安装BMS等繁重的工作;

.分布式从控模块具有SOC/SOH的计算功能,同时保存电池的编码信息、充放电次数、故障记录、SOC/SOH等数据,与电池构成智能化的电池模组。病历化管理可以及时、准确把握电池模组的健康状态SOH,省却梯次时的测试配组工作,只要具有相同SOH的同规格电池模组直接可以组合使用。这时的电池模组已经具备了具有状态监测及与外部交互的智能电池了(Smart Battery Moudle);

.模组具有电池历史数据存储功能,存储信息包括电池生产使用信息、运行信息、故障信息、当前SOCSOH信息等等; 

4BMS主控和整车控制器(VCU)集成的方案

整车控制器作为汽车的指挥管理中心,其功能是分析传感器采集到的各种信息,并向执行器或执行部件发出控制指令。根据实时测量的驾驶员操作信息、车辆行驶信息、电池信息等,整车控制器通过计算和逻辑推理向各子系统控制器发送控制指令,并由各子系统控制器控制各个子系统的运行,从而实现对整车的控制。具体功能包括:动力系统控制、附件管理功能、通讯功能、车辆状态监测、故障诊断及存储功能等。

动力电池系统是新能源汽车唯一动力源或者重要动力源。使用电池管理系统对动力电池进行合理的管理是动力电池系统安全可靠工作的前提。电动汽车电池管理系统(BMS)是连接动力电池和电动汽车的重要纽带,其主要功能包括:电池物理参数实时监测,电池状态估计,均衡管理和热管理,在线诊断与预警,充、放电与预充控制等。放电控制等涉及到整车动力系统的控制,需要结合整车运行信息综合考虑。

从整车系统上看,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。随着集成电路的发展,微控制器MCU的功能和资源极大的强化,使得BMS主控和整车控制器的集成提供了可能。我们通过简化BMS的责任,使其更专注于电池本身管理,BMS主控的功能集成到整车控制器里,实现整车更合理的控制。具体表现在:

①.BMS将回归于专注电池本身信息处理,实现电池管理(包括电池信息采集、状态评估、均衡、状态告警等),不参与整车的控制。

②.整车控制器和BMS主控实现统一,根据整车信息和电池信息实现整车更合理的控制。

③.整车控制器和BMS主控实现统一,减小了中间环节,提高了整车系统的实时性、安全性、可靠性。

④.整车控制器和BMS主控实现统一,减少了BMS的主控部件,大大降低了系统的成本。

VCU整合BMS主控功能,实现整车的控制。BMS作为一个“传感器”的功能,实现电池信息的采集和管理。整车控制器综合电池信息、车辆运行信息等实现动力系统控制和整车控制策略的执行。另外整车控制器还可以根据电池信息实现电池的热管理和充放电管理,该模式下可以省掉传统BMS的主控模块,功能实现更加合理,成本更低。

四种BMS拓扑,很难绝对的评价某种结构的好坏。根据不同的应用,可能需要不同的拓扑架构。要根据具体的需求,选择合适的BMS系统。

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