電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

汽車行業(yè)正在發(fā)生變化。今天必須由內(nèi)燃機(jī) (ICE) 承載的負(fù)載，在未來將由混合動(dòng)力、電動(dòng)甚至燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛來處理。過去，許多制造商專注于傳統(tǒng) ICU 和傳動(dòng)系統(tǒng)所需的機(jī)械部件。未來，將關(guān)注其他組件。

它包括開發(fā)新型固態(tài)電池，以實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航里程——以及增加的充電和放電行為——這是目前可充電鋰電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的。反過來，這可能會(huì)導(dǎo)致高性能充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

在這里，在這個(gè)技術(shù)十字路口，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為核心組件，對(duì)于正確管理和監(jiān)控電池至關(guān)重要。

目前，鋰離子電池正用于電動(dòng)汽車。它們連接起來形成一個(gè)電池組件，直到達(dá)到所需的總電壓。目前可用的單節(jié)電池電壓約為 3.6 V 至 3.7 V，用于牽引電池的高壓系統(tǒng)需要大約 140 至 250 個(gè)單節(jié)電池才能產(chǎn)生 520 V 或 900 V 的電壓。在這種配置中，必須監(jiān)測(cè)電池的溫度、阻抗或內(nèi)部電池電阻、電壓以及充電和放電電流。

BMS設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

BMS 設(shè)計(jì)包含多個(gè)組件，包括電池管理控制器 (CMC) 和電池管理控制器 (BMC)。在這里，CMC 使用多通道 IC（目前配備多達(dá) 16 個(gè)通道）來執(zhí)行監(jiān)控功能，而 BMC 則處理各個(gè) CMC 的控制功能（圖 1）。

圖 1電池管理系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)與接口描述一起顯示。資料來源：威世

通常，外部 NTC 電阻器直接連接到電池以測(cè)量溫度。隨著電阻器升溫，由于負(fù)溫度系數(shù)，電導(dǎo)率提高。因此，可以使用 IC 中的評(píng)估來確定電池溫度。

此時(shí)，阻抗測(cè)量并未得到充分利用。這種測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于它提供了對(duì)充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 的更準(zhǔn)確估計(jì)。簡單來說，該方法應(yīng)用不同頻率的交流電。然后，可以使用基于軟件的模型轉(zhuǎn)換和解釋復(fù)雜的電壓，就像電流一樣。

單節(jié)電池電壓通常使用集成在 IC 中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來測(cè)量。在這種方法中，多路復(fù)用器按順序測(cè)量各個(gè)電壓，并使用 ADC 將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后可以評(píng)估這些數(shù)字信號(hào)。

充電或放電電流不是針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的電池進(jìn)行測(cè)量，而是針對(duì)電池組件進(jìn)行測(cè)量。這種方法的背景是電池組通過中央充電器“充電”，可以通過車載充電器 (OBC) 形式的集成充電器進(jìn)行交流充電，也可以通過外部充電器進(jìn)行直流充電。充電器。通過串聯(lián)電池，相同的電流流過所有電池，系統(tǒng)中的電流只需測(cè)量一次。為此，使用霍爾效應(yīng)電流傳感器或低電阻分流電阻器。

BMS 的另一個(gè)核心任務(wù)是平衡各個(gè)單元格。在單個(gè)電池的生產(chǎn)過程中，容量和內(nèi)阻會(huì)因工藝而波動(dòng)。結(jié)果，在電池組件的充電或放電中存在不均勻性。但是，為了確?？梢允褂秒姵氐乃心芰浚捶秶?，各個(gè)電池在容量和電壓方面是平衡的。這里有兩種實(shí)現(xiàn)電荷平衡的基本理念：主動(dòng)平衡和被動(dòng)平衡。

電荷平衡的工作原理

通過主動(dòng)平衡，在使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的開關(guān)操作中，電池的多余能量通過電子電路傳輸?shù)骄€圈中。在接下來的開關(guān)操作中，線圈中的能量通過二極管饋送到下一個(gè)電池。這種方法一直持續(xù)到所有電池都達(dá)到其完全充電電壓（圖 2）。

圖 2這是主動(dòng)平衡概念操作的總體視圖。資料來源：威世

在被動(dòng)平衡中，電池的多余能量使用泄放電阻器轉(zhuǎn)換為熱量。IC 在為電池充電的同時(shí)測(cè)量電池電壓，并在達(dá)到閾值時(shí)立即連接電阻。這一過程可以同時(shí)發(fā)生在一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞上（圖 3）。這里使用的電阻器通常使用厚膜技術(shù)制造。它們具有相對(duì)較高的溫度系數(shù)和較高的初始公差。

圖 3該圖顯示了被動(dòng)平衡的概念操作。資料來源：威世

然而，與具有相同占位面積的傳統(tǒng)厚膜電阻器相比，替代方法（例如基于雙層涂層CRCW-HP電阻器和經(jīng)過特殊修整的RCS電阻器）允許兩倍到三倍的連續(xù)功率。因此，在功率要求相同的情況下，使用這些電阻器可以節(jié)省資金并減少 PCB 上所需的空間。

RCL 系列實(shí)現(xiàn)了另一種可能性，由于在長邊端接，它還允許更高的連續(xù)功率和更好的熱循環(huán)性能。鑒于汽車行業(yè)要求在 55°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)以及在增加的循環(huán)條件下實(shí)現(xiàn)元件和 PCB 之間的穩(wěn)定焊接連接，這些電阻器也可以證明是非常合適的。

然而，由于主動(dòng)平衡的高電路成本和單個(gè)電池的內(nèi)部電阻和電容的制造公差較窄，被動(dòng)平衡主要用于汽車設(shè)計(jì)中的高級(jí)應(yīng)用。

功能安全合規(guī)性

電池及其監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)安全至關(guān)重要。因此，系統(tǒng)中使用的組件以及整個(gè)系統(tǒng)本身必須根據(jù) ISO 26262 進(jìn)行開發(fā)，以滿足 ASIL-D 規(guī)定的要求。在 BMS 中，電壓、溫度和電流的測(cè)量，除內(nèi)阻測(cè)量外，與安全氣囊系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于同一水平。如果這些系統(tǒng)出現(xiàn)故障或行為有缺陷，車輛和乘客將面臨直接危險(xiǎn)。

在這里，冗余測(cè)量方法可以最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)。

在這種情況下，監(jiān)控電池電壓是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，因?yàn)閱蝹€(gè)電池的過度充電或深度放電會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路，從而在電池下次充電時(shí)導(dǎo)致熱失控。

可以使用兩個(gè)電池 IC 執(zhí)行冗余電池電壓測(cè)量。這種方法的第一個(gè)缺點(diǎn)是電壓測(cè)量采用相同的方法。其次，該解決方案的成本相對(duì)較高。

另一種解決方案是使用泄放電阻以模擬方式測(cè)量電池電壓，并將其與 IC 的電池電壓測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。這提供了一種獨(dú)立的測(cè)量機(jī)制，可以以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)。但是，前面描述的厚膜泄漏電阻器并不適用。相反，應(yīng)該使用薄膜電阻器，因?yàn)樗鼈兛梢员ＷC在整個(gè)使用壽命期間進(jìn)行精確測(cè)量，即使在苛刻的使用條件下也是如此。

以采用特殊薄膜技術(shù)制造的MC-HP 系列為例。它結(jié)合了長期穩(wěn)定性 (≤ 0.2 %; P 70 , 1000 h) 的優(yōu)點(diǎn)和兩倍于標(biāo)準(zhǔn)薄膜電阻器的性能。接下來，MCW 系列采用 0406 和 0612 尺寸的薄膜技術(shù)，長邊有端接。它滿足長期穩(wěn)定性（≤ 0.2 %; P 70 , 1000 h）和連續(xù)功率與空間的要求，在所需常規(guī)空間的三分之一處幾乎具有相同的連續(xù)功率（圖 4）。

圖 4薄膜電阻器在長邊端接，具有更高的性能，并且比傳統(tǒng)端子需要三分之一的空間。資料來源：威世

此外，這些電阻器的熱循環(huán)性能提高了 3,000 次。憑借這些特性，這些電阻器適合在 BMS 中用作泄放電阻器或電池電壓測(cè)量電阻器，以在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) ASIL-D 指示的未來要求。

如果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)沒有深入的工程理解，就無法再選擇組件，尤其是用于使傳動(dòng)系統(tǒng)電氣化的組件。這是因?yàn)閷?duì)單個(gè)組件的性能要求越來越高、對(duì)外形尺寸的要求越來越小、對(duì)使用壽命的估計(jì)以及更嚴(yán)格的安全要求。

Vishay Intertechnology 汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Adrian Michael。