介紹

電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動(dòng)汽車(chē)不可或缺的一部分。它是連接車(chē)載電池和其他電動(dòng)汽車(chē)部件（如車(chē)輛控制單元 （VCU））的重要環(huán)節(jié)。其主要功能如下所述。當(dāng)以下功能之一出現(xiàn)故障時(shí)，將對(duì)電池造成致命傷害。它甚至可能導(dǎo)致電池爆炸或燃燒，造成事故或人員傷亡。

裸金屬服務(wù)器的功能

持續(xù)監(jiān)控電池單元的狀況（管理 SOC、SOH、SOE 等）

防止電池因電池重復(fù)操作而造成電芯老化。示例包括由重復(fù)充電或放電、溫度變化等引起的不平衡電池。

實(shí)現(xiàn)電池組的長(zhǎng)期使用，最大限度延長(zhǎng)使用壽命

測(cè)量其他參數(shù)，例如整個(gè)電池組或每個(gè)電池單元的電壓和溫度

補(bǔ)償每個(gè)單元格的輕微不一致（平衡）

報(bào)告狀態(tài)并與 VCU 或其他 ECU 通信

在車(chē)載顯示單元上顯示電池狀態(tài)，如有異常情況提醒駕駛員

適用于不同電壓和容量水平的 BMS

BMS用于各種電池驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備，不僅用于汽車(chē)應(yīng)用，還用于各種非汽車(chē)應(yīng)用，從移動(dòng)電話到電力存儲(chǔ)設(shè)備。所有汽車(chē)應(yīng)用，從電動(dòng)高爾夫球車(chē)到電動(dòng)汽車(chē)（本文的重點(diǎn)將放在下表中以灰色突出顯示的汽車(chē)應(yīng)用）都需要使用 BMS 來(lái)確保電池能夠安全運(yùn)行。由于產(chǎn)品中使用的電壓和電容電池組不同，BMS中的某些部件需要隔離。

因此，對(duì)于特定的電池電壓和電容值，需要不同的BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1顯示了在不同電壓范圍內(nèi)工作的一些應(yīng)用示例。

表 1 – 應(yīng)用示例

電池類(lèi)型和電池組拓?fù)?/p>

作為EV的動(dòng)力電池，可以使用多種類(lèi)型的電池。每個(gè)電池都有不同的輸出電壓、安全性、價(jià)格、能量密度、使用壽命等。

鉛酸蓄電池

鋰離子電池

鎳氫電池

鎳鎘電池

全固態(tài)電池

燃料電池

在上述類(lèi)型的電池中，鋰離子電池因其出色的能量密度特性而最常用于電動(dòng)汽車(chē)。

電動(dòng)汽車(chē)中最常用的電池組是單個(gè)電池單元串聯(lián)或并聯(lián)（通常串聯(lián)）連接其他單個(gè)電池單元以形成電池模塊。然后，它將電池模塊串聯(lián)和并聯(lián)組合以創(chuàng)建最終電池組。例如，標(biāo)記為 330 V 的電池組可能由 12 個(gè)串聯(lián)電池模塊和 3 個(gè)并聯(lián)電池模塊組成。每個(gè)電池模塊由12個(gè)串聯(lián)的電池單元組成。假設(shè)每個(gè)鋰離子電池單元的電壓為2.3 V，則電池組的實(shí)際電壓將為2.3 V x 12 x 12 = 331.2 V。串聯(lián)的電芯越多，電池組電壓越大，并聯(lián)的電芯越多，電池組容量就越大。

電池結(jié)構(gòu)

具有較高電壓或電容的電池組由更多的電池單元組成。除了電池組的標(biāo)稱(chēng)電壓外，我們還可以通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的電池單元數(shù)量來(lái)指代電池組。有了這個(gè)概念，示例中的電池組將稱(chēng)為 144S（系列）3P（并聯(lián)）電池組（S x P = 電池單元數(shù)）。電池組的組成如圖1所示。

圖1 –電池組結(jié)構(gòu)示例（圖像）

BMS的分散

當(dāng)電池?cái)?shù)量較少時(shí)，電池管理單元（BMU）和電池監(jiān)控電路（CSC）放置在同一PCB上。但是當(dāng)需要管理的電池?cái)?shù)量增加時(shí)，BMU和CSC需要放置在不同的PCB上。每個(gè) CSC 對(duì)可管理的電池?cái)?shù)量都有限制，這有助于減少電纜總長(zhǎng)度。因此，分散程度取決于需要管理的電池單元數(shù)量（對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，電池比越高，電池組越大）。市場(chǎng)上的BMS產(chǎn)品一般可以分為三種不同的電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。它們的特點(diǎn)將在下面討論。

圖2 –拓?fù)?/p>

集中式裸金屬服務(wù)器

集中式BMS具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在小型電池系統(tǒng)中，它們具有較低的電容和較低的總電壓電池組是很常見(jiàn)的。集中式BMS一般用于電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)觀光車(chē)、電動(dòng)巡邏車(chē)、電動(dòng)高爾夫球車(chē)等低速車(chē)輛，也用于低電池/汽油比混合動(dòng)力汽車(chē)如MHEV。

半分布式裸金屬服務(wù)器

半分布式BMS介于集中式和分布式BMS之間，管理中等數(shù)量的電池單元，具有中等電容和額定電壓的電池組。與分布式BMS一樣，其BMU和CSC位于不同的PCB上，但每個(gè)CSC管理的電池模塊數(shù)量不止一個(gè)。半分布式BMS也可用于HEV，PHEV和電動(dòng)汽車(chē)中的一些電動(dòng)汽車(chē)。

分布式裸金屬服務(wù)器

分布式裸金屬服務(wù)器拓?fù)淇梢愿玫貙?shí)現(xiàn)模塊級(jí)（模塊）模塊和系統(tǒng)級(jí)（包）的分層管理。隨著乘用車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)不斷向更高電池電容和更高電壓電池組發(fā)展，分布式拓?fù)涞腂MS主要用于PHEV和BEV。目前，主流量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)普遍采用分布式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是BEV。

BMS和CSC簡(jiǎn)介

為了實(shí)現(xiàn)BMS功能，BMS將使用兩個(gè)主要部分運(yùn)行，即主控制板（此處稱(chēng)為BMU）和從板（此處稱(chēng)為CSC）。BMS還包括管理高壓的部分，稱(chēng)為HVU，但由于超出了本文的范圍，因此已省略。

BMU的主要功能是通過(guò)CAN與其他ECU / VCU通信，處理從CSC收集的數(shù)據(jù)以及充電和放電管理。CSC負(fù)責(zé)模塊內(nèi)小區(qū)的電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、平衡管理（有的有獨(dú)立的CSU模塊單元），以及相應(yīng)的診斷工作。

如果CSC直接連接到電池模塊，則CSC在高壓側(cè)。因此，BMU和CSC之間的信號(hào)傳輸通常必須保持隔離，脈沖變壓器或電容器用作隔離元件）以分離高壓和低壓側(cè)。

與其他應(yīng)用一樣，DC-DC用于主芯片的電源。隔離式 DC-DC 用于高壓側(cè)和低壓側(cè)之間。

圖3所示為分布式裸金屬服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖示例。

圖 3 – 分布式 BMS 示例結(jié)構(gòu)圖

隔離式和非隔離式直流/直流

從圖3可以看出，BMS中使用了非絕緣DC/DC和絕緣DC/DC。通常，它們的操作由 DC/DC 主芯片控制。在一般解決方案中，功率電感器需要在非絕緣DC/DC中用作電壓轉(zhuǎn)換元件。隔離式 DC/DC 將使用變壓器而不是電感器作為電壓變換元件。圖 4 和圖 5 顯示了隔離和非隔離 DC/DC 電路示例。

主芯片是電路中最關(guān)鍵的元件，是電路的核心。在主芯片周?chē)褂昧嗽S多無(wú)源元件，例如電阻器、電容器和電感器/變壓器。其中，電感器/變壓器是必不可少的元件。它的重要性?xún)H次于該電路中的主芯片。電感器/變壓器連接到芯片的SW引腳。它們的功能是將電能暫時(shí)轉(zhuǎn)換為磁能，將其存儲(chǔ)在磁芯中，然后以電能的形式釋放以轉(zhuǎn)換電壓。因此，質(zhì)量直接影響整個(gè)DC/DC電路的性能，如效率、功率損耗、輸出紋波、EMI、響應(yīng)速度等。

此外，對(duì)于具有嚴(yán)格EMI要求的應(yīng)用，EMI濾波器用于電壓輸入端。EMI濾波器通常由電感器、電容器和電阻器單獨(dú)或多種組合組成，具體取決于EMI的嚴(yán)重程度和頻率。圖4中非隔離電路的EMI濾波器主要由兩個(gè)電容組成，圖5中隔離式DC/DC電路的EMI濾波器主要由兩個(gè)電容和一個(gè)電感組成。由于它的形狀看起來(lái)像數(shù)學(xué)中π的象征，因此通常被稱(chēng)為π過(guò)濾器。π形濾波器比非隔離DC/DC電路中只有兩個(gè)電容器的濾波器具有更好的濾波特性。雖然EMI濾波只是一種可選電路，但對(duì)于需要在惡劣EMC環(huán)境中工作的BMS，強(qiáng)烈建議在DC/DC電路上增加EMI濾波器。

圖 4 – 同步降壓轉(zhuǎn)換器 DC/DC（非隔離）

圖5 –隔離降壓轉(zhuǎn)換器DC/DC

電感器選擇

對(duì)于BMS的DC/DC中所需的電感器，鐵氧體電感器和金屬?gòu)?fù)合電感器（此處稱(chēng)為美通電感器） 經(jīng)常使用。過(guò)去，由于需要管理的電池?cái)?shù)量相對(duì)較少，因此BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單。然而，被管理的電池?cái)?shù)量正在增加的趨勢(shì)。因此，BMS的拓?fù)渥兊酶訌?fù)雜，增加了MCU，存儲(chǔ)器和通信芯片等芯片的數(shù)量。結(jié)果是需要更大的 DC/DC 輸出電流來(lái)維持 BMS 操作。

另一方面，DC/DC芯片的開(kāi)關(guān)頻率也在向更高的頻率發(fā)展。因此，DC/DC電路中常用的鐵氧體電感器現(xiàn)在被美通材料。主要有三個(gè)原因。

所需L值減小，輸出電流增加

從同步降壓型 DC/DC（公式 1）可以看出，DC/DC 中所需的電感值與開(kāi)關(guān)頻率成反比（CS2）和輸出電流（I外).

公式 1 – 同步降壓 DC/DC 的 L 值計(jì)算

在比較表2中鐵氧體電感器和METCOM電感器的特性時(shí)，需要權(quán)衡鐵氧體和金屬?gòu)?fù)合材料之間的電感值和額定電流。這種權(quán)衡意味著，隨著芯片
開(kāi)發(fā)，BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，對(duì)電感值的要求會(huì)降低。DC/DC所需的降低電感意味著METCOM有更多的機(jī)會(huì)使用和取代鐵氧體電感器，以換取金屬?gòu)?fù)合材料的其他好處。示例包括軟飽和特性和 EMI 特性（在以下各節(jié)中解釋?zhuān)?/p>

表 2 – 電感器材料特性

METCOM的軟飽和特性

當(dāng)流過(guò)電感器的電流增加時(shí)，電感器由于自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)而趨于磁飽和其磁芯。隨著磁飽和度的增加，電感值會(huì)下降。如果電流繼續(xù)增加，電感的電感值最終會(huì)下降到0附近，這稱(chēng)為電感的直流疊加特性。與鐵氧體電感器相比，直流疊加特性引起的METCOM電感下降相對(duì)穩(wěn)定（見(jiàn)圖6）。

圖 6 – 室溫下的直流疊加特性

如果由于故障等原因，循環(huán)電流從正常值（預(yù)設(shè)值）突然增加，METCOM電感比舊的鐵氧體電感器更穩(wěn)定。由于直流疊加特性引起的電感降低與電流的增加同步，因此即使電流在短時(shí)間內(nèi)增加，電感值也會(huì)瞬間下降。從紋波電流的計(jì)算（公式2）可以看出，電感值的減小會(huì)增加DC/DC電路的輸出紋波電流。在極端情況下，電感下降會(huì)導(dǎo)致電流失控，在最壞的情況下，甚至可能導(dǎo)致芯片或其他組件的燃燒。因此，直流疊加特性是BMS直流/直流電感選擇時(shí)的重要指標(biāo)。

公式 2 – 同步降壓 DC/DC 的紋波電流計(jì)算

電磁干擾特性

由于鐵氧體電感器生產(chǎn)工藝的限制，只能以組裝方式生產(chǎn)，如圖7所示。因此，每個(gè)部分之間必須有間隙，這些間隙會(huì)導(dǎo)致漏磁問(wèn)題并惡化EMI。一些鐵氧體電感器會(huì)在外圍增加屏蔽蓋。雖然這可以做出一些改進(jìn)，但它永遠(yuǎn)無(wú)法形成“閉合磁路”。

圖 7 – 鐵氧體與金屬?gòu)?fù)合材料

結(jié)果，仍然會(huì)有一定量的漏磁。METCOM是將金屬?gòu)?fù)合粉末與粘合劑混合并在模具中成型的一體成型，使電感器形成“閉合磁路”，可以顯著減少磁場(chǎng)泄漏并減少EMI的影響（見(jiàn)圖8）。惡劣的EMI環(huán)境可能會(huì)干擾BMS數(shù)據(jù)通信或?qū)е沦|(zhì)量逐漸下降。

圖 8 – EMI 特性

結(jié)論

由于需要管理的電池?cái)?shù)量的增加，BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往變得更加復(fù)雜。

BMS中使用的各種芯片數(shù)量的增加要求DC/DC轉(zhuǎn)換器提供更多的功率，導(dǎo)致DC/DC的輸出電流增加。

由于BMS經(jīng)常需要在復(fù)雜的EMI環(huán)境中工作，因此BMS的EMI敏感性對(duì)系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。因此，必須仔細(xì)關(guān)注EMC。

如果BMS發(fā)生故障，則有可能導(dǎo)致嚴(yán)重和致命的后果，因此BMS中使用的組件必須具有高可靠性。

隨著DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的增加，電感器所需的L值減小，電感器的額定電流必須增加。因此，METCOM成為該應(yīng)用的主要電感器技術(shù)。

無(wú)線解決方案和柔性抑制器

目前，BMS的主要功能是將BMU和CSC連接在一個(gè)有線解決方案中，用于BMU和CSC之間的通信。如上所述，在IsoSPI協(xié)議中，它通常使用雙絞線電纜以菊花鏈方式連接。但是，當(dāng)電池模塊數(shù)量增加時(shí)，過(guò)多的電纜可能會(huì)導(dǎo)致布線復(fù)雜和整體重量等問(wèn)題。另一方面，由于IsoSPI要求不同模塊之間嚴(yán)格隔離，隔離元件的數(shù)量也需要增加，導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。因此，有一種新的解決方案，通過(guò)使用無(wú)線傳輸來(lái)取代傳統(tǒng)的有線解決方案。在硬件中，無(wú)線解決方案需要為每個(gè)SCS和BMU板添加一個(gè)無(wú)線芯片（通常為2.4 GHz藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)），而不是使用信號(hào)線進(jìn)行通信。它們的電路圖如圖9所示。

圖9 –有線和無(wú)線解決方案

由于無(wú)線解決方案在板與板之間具有自然隔離，因此與有線方法相比，它可以減少隔離組件和電纜。雖然無(wú)線解決方案解決了電纜和隔離元件過(guò)多引起的問(wèn)題，但有必要克服BMS中復(fù)雜的EMI環(huán)境導(dǎo)致天線靈敏度降低的內(nèi)部干擾問(wèn)題。除了在電路中使用更多的濾波器元件來(lái)降低電路板本身產(chǎn)生的噪聲外，使用電磁屏蔽罩和電磁吸收器也將有助于抑制噪聲，使天線保持良好的靈敏度狀態(tài)。基梅特的柔性抑制器是一種磁性吸收片。通過(guò)將其連接到電路板上的干擾噪聲源或噪聲傳輸路徑上，可以有效抑制干擾在 2.4 GHz 頻段運(yùn)行的藍(lán)牙的噪聲。圖10顯示了如何應(yīng)用這些NSS產(chǎn)品（噪聲抑制表）或NST（噪聲抑制膠帶）的示例。

圖10 –如何使用FLEX抑制器

審核編輯：郭婷