电动乘用车集中式和分布式电池管理系统分析

导语

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。

(特约作者 朱玉龙)由于汽车电气化的水平发展,乘用车用电池管理系统,未来可以在低压启动电池(12V&48V)和高压HEV电池(1kwh~1.5kwh)和PHEV电池(4~18kwh)和BEV电池(20~85kwh)等电池系统里面看得到。低压系统和高压系统差异很大。电池系统差异在各个车厂和各个应用平台之间都比较大,各个企业有自己的风格,本文主要通过对不同厂家的产品做资料分析,根据各个车厂未来应用的内部的电池管理系统按照目前的模块化策略,来整合分析电池管理系统。应该说未来各家车厂设计理念的演变,使得高压电池系统是有一定的相似性的,这里主要叙述高压电池包里面的电池管理系统的一些情况。整篇文章将涵盖电池管理系统结构、集中式管理系统案例分析、分布式管理案例分析和产品设计的几点考虑几个部分。限于本人的水平和对案例的认知有限,难免有些偏差或者错误,在这里仅是抛砖引玉,请各位读者海涵。

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)、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Model S。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Smart ED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。

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图1 三种电池管理系统架构

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图2 部分主流车辆的管理系统划分

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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。

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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Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini),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。

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图5 LEAF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。

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图6 LEAF BMS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。

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图7 2011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Active Hybrid(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。

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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A3 PHEV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。

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图9 2015年上海车展均胜电子展台上的CSC模块

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图10 车展上的BMU模块照片

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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Door Module 8000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2 220V AC &8 A 输入1.7KW 电池系统1.5KW 充电时间为8小时,模式3 220V AC&16 A

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。

电动乘用车集中式和分布式电池管理系统分析

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。

参考文件:

1)Key Factors of the Power Battery Development in 2013:E-Motorcycle & EV Mark Lu Industrial Economics & Knowledge Center (IEK) Industrial Technology Research Institute (ITRI) 2013/04/12

2)THE HIGH VOLTAGE BATTERIES OF THE BMW i3 AND BMW i8

3)Ogawa, K., Todoroki, N.,Taguchi, H., Mogari, T., et al.,“Development of a High Capacity Lithium-ion Battery for Nissan Leaf,” Nissan Technical review No.69-70, 2012.

4)Renesas Who's in Charge-Solutions for HEV/EV Battery Cell Management

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