新能源汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）中傳感器技術(shù)應(yīng)用

車載蓄電池作為新能源電動汽車的核心，直接關(guān)系到車輛壽命、行駛里程、車輛經(jīng)濟(jì)性、安全性，這一切又取決于電池管理系統(tǒng)的性能。而電池管理系統(tǒng)監(jiān)控的準(zhǔn)確性、執(zhí)行動作可靠性則依賴各類傳感器，故對于傳感器技術(shù)的研究與分析尤為必要。

一、新能源電動汽車電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱BMS）是監(jiān)控車用蓄電池的電壓、電流、負(fù)載、溫度等狀態(tài)，并能為其提供安全、通信、電芯均衡和管理控制，提供同應(yīng)用設(shè)備通信接口的系統(tǒng)，如圖1所示。BMS具備監(jiān)控蓄電池系統(tǒng)總電壓、電流數(shù)據(jù)，獲取單體電池、電芯組、電池模塊電壓，掌握電池包內(nèi)溫及其形態(tài)等數(shù)據(jù)。它主要由3個部分構(gòu)成，包括硬件架構(gòu)、底層軟件以及應(yīng)用軟件。

1．1 硬件架構(gòu)

BMS硬件包含CPU、電源和采樣IC、隔離變壓器、CAN模塊、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。集中式把電子部件歸納在板塊內(nèi)，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，鏈路簡單，成本低廉，缺點是穩(wěn)定性不足。分布式由主板、從板組成，系統(tǒng)配置靈活，通道利用率高，適用于各類電池組，缺點是電池模組數(shù)量不足時造成通道浪費。

BMS的主控制器具備處理上報來的信息、綜合判斷電池運行情況、實現(xiàn)控制策略并處理故障信息功能。高壓控制器具備收集上報總電壓、電流，并為主板提供載荷情況（SOC）、健康狀況（SOH）所需數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)充電、絕緣兩項檢測功能。從控制器具備單體電池信息采集上報，擁有動平衡功能，可以保持電芯的動力輸出一致性。采樣控制線束具備同時在每一根電壓采樣線上添加冗余保險功能，可避免電池外部短路故障（圖2）。

1．2 底層軟件

根據(jù)汽車開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（AUTO motive Open System Ar－chitecture，簡稱AUTOSAR），架構(gòu)為了減少對硬件設(shè)備的依賴性，將BMS劃分為諸多通用功能區(qū)塊。能夠?qū)Σ煌挠布崿F(xiàn)配置，并對應(yīng)用層軟件影響較小。其需要通過RET接口與應(yīng)用層軟件鏈接，介于故障診斷事件管理（DEM）、故障診斷通信管理（DCM）、功能信息管理（FIM）以及CAN通信預(yù)留接口等靈活性要求，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用層進(jìn)行配置。

1．3 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態(tài)估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。

1）高低壓管理主要是需要上電時，VCU通過硬線（CAN信號）的12V激發(fā)BMS，待后者完成自檢后閉合繼電器上高壓；需要下電時，VCU下達(dá)指令斷開12V信號，或者在充電時由CP（A＋）信號激發(fā)。

2）充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45min內(nèi)完成沖入電量80％，要通過充電輔助電源A＋信號激發(fā)，目前國標(biāo)中對快充尚未完成統(tǒng)一，即存在2011和2015兩個快充版本。

3）SOC是狀態(tài)估算功能的核心控制算法，表示電池剩余容量，通過特定的安時積分法計算得出；SOH是判別電池的壽命狀態(tài)及電池充滿狀態(tài)下的容量，一般低于80％的電池不得繼續(xù)使用；SOP需要根據(jù)溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時發(fā)出信號讓電力系統(tǒng)限定部分功能；SOE算法是用來估算剩余續(xù)航里程的，當(dāng)前開發(fā)得較為簡單，因此新能源電動車?yán)m(xù)航里程常常不準(zhǔn)確，俗稱“空電”現(xiàn)象。

4）均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由于電路當(dāng)中必將由于性能最差的單體電池的截止而截止，造成其余性能完備電池蓄存量的浪費。均衡控制分為主動和被動，其中主動控制將單體間能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優(yōu)勢更為明顯，目前備受廠家青睞。

5）故障診斷主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采集、一般性故障、電氣設(shè)備故障、通信故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級，并采取對應(yīng)措施。

二、電池管理系統(tǒng)中傳感器應(yīng)用

BMS中主要應(yīng)用的傳感器有電流傳感器、溫濕度傳感器、電壓傳感器、位置傳感器和氣體傳感器。

2．1 電流傳感器

2．1．1 霍爾電流傳感器

霍爾效應(yīng)（HallEffect）傳感器變化的磁場轉(zhuǎn)為變化的電壓，其屬于間接測量。可分為開環(huán)式、閉環(huán)式兩類，后者精度較高。霍爾電流傳感器簡化了電路，僅要連通直流電源正負(fù)極，將被測電流母線穿過傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測，如圖4所示。傳感器輸出信號為副邊電流，和原邊電流（輸入信號）成正比，數(shù)值較小，需進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換?；魻栯娏鱾鞲衅骷ジ衅?、分流器優(yōu)點于一身且結(jié)構(gòu)更為簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密復(fù)雜的新能源電動車電源環(huán)境。

2．1．2 磁通門電流傳感器

磁通門原理（FluxGate）即為易飽和磁芯在激勵電流影響下，激勵電流大小改變電感強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁通量大小，磁通量則如同門那樣打開或者閉合。

普通霍爾電流傳感器精度在0．5％～2％之間，而磁通門電流傳感器利用磁通門原理制作而成，精度能夠達(dá)到0．1％甚至更高，因此也稱之為高精度電流傳感器。結(jié)構(gòu)上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環(huán)和閉環(huán)兩類。此處著重介紹閉環(huán)磁通門電流傳感器，即放大磁通門激勵電流二次諧波信號，驅(qū)動補償線圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態(tài)；對于HPIT系列磁通并不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀，如圖5所示。

磁通門電流傳感器從結(jié)構(gòu)上分為4類，分別是單磁環(huán)、雙磁環(huán)、雙磁環(huán)（屏蔽）、多磁環(huán)（嵌套）。

由于集具磁通門原理高靈敏性、閉環(huán)磁平衡與匝比輸出嚴(yán)格對應(yīng)性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除振蕩諧波影響輸出干凈性等優(yōu)點，因此閉環(huán)磁通門電流傳感器被廣泛應(yīng)用于各型新能源電動車產(chǎn)品當(dāng)中，如特斯拉Model3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷車型。

2．1．3 穿隧磁阻效應(yīng)電流傳感器

穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）電流傳感器是全新一代磁敏元件，較霍爾器件、各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）相比，擁有能耗低、溫漂低、靈敏度高等優(yōu)點，能夠明顯改善電流檢測的靈敏度與溫度特性。

2．2 溫濕度傳感器

2．2．溫度傳感器

溫度對于BMS性能發(fā)揮意義重大，為了進(jìn)一步提升電池利用率，防止電池過度放（充）電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內(nèi)置NTC溫度傳感器來監(jiān)測溫度。

NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經(jīng)過陶瓷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合制成，工作原理為這些材料載流子數(shù)目少，電阻較高，當(dāng)溫度升高時，載流子數(shù)目相應(yīng)增加，電阻對應(yīng)降低（圖7）。其擁有電阻率高、熱容小、響應(yīng)快，阻值與溫度線性關(guān)系優(yōu)良，能彎曲、價格低、壽命長等優(yōu)點。常用的有3類：地環(huán)外殼NTC溫度傳感器，俗稱“地環(huán)型”；環(huán)氧樹脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱“水滴頭”、“小黑頭”；薄膜NTC溫度傳感器。

2．2．2 濕度傳感器

濕度傳感器就是一種把環(huán)境濕度量轉(zhuǎn)變成能夠被電信號標(biāo)記的設(shè)備或者裝置，常見的濕度傳感器測量的量為相對濕度?，F(xiàn)在新能源電動汽車BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上涂敷一層用感濕材料膜，環(huán)境中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電阻值會變化，就能測出濕度。

濕度因素在新能源電動車電池管理系統(tǒng)中尤為難以捕捉，但對于電池的性能、壽命影響巨大。對傳感器的濕度輸出予以溫度補償，得到線性電壓，輸入到帶有ADC的新能源電動汽車的BMS當(dāng)中。

2．3 電壓傳感器

電動汽車供電系統(tǒng)的電池組由幾百個串聯(lián)電芯聯(lián)通，故而測量電壓的通道需求較大。串聯(lián)電池組為累計電壓，但單個電池電動勢并不相同，不能簡單采用單向補償法消去誤差。電池電壓采集需要高精度，達(dá)到1mV，而目前采集精度僅有5mV。

電壓傳感器能夠讓被測電池電壓轉(zhuǎn)換成可輸出信號的傳感器，新能源電動汽車用的電致發(fā)光效應(yīng)電壓傳感器是測量發(fā)光材料在被測電壓發(fā)光強(qiáng)度情況來獲得被測電壓有效數(shù)值。同傳統(tǒng)的光學(xué)電壓傳感器相比，基于電致發(fā)光效應(yīng)的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩(wěn)定性，另一方面也對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、降低生產(chǎn)成本。

2．4 位置傳感器

BMS中的位置傳感器是一項《電池溫控管理系統(tǒng)及電動汽車》實用新型專利當(dāng)中提到的，目前在新能源電動汽車中尚未廣泛應(yīng)用。

位置傳感器主要是用于檢測BMS系統(tǒng)中水冷裝置中冷卻液面的位置情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用于對冷卻液相對于膨脹水壺液面位置進(jìn)行檢測，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個浮漂，并在每個浮漂上安裝位置傳感器，以便于車輛在經(jīng)過陡坡等路段或冷卻系統(tǒng)中存有大量氣泡時，BMS及時調(diào)節(jié)控制主水泵與副水泵進(jìn)行切換運行。

2．5 氣體傳感器

新能源汽車動力電池?zé)崾Э?，電池起火前通常會產(chǎn)生大量異常氣體（一氧化碳／氫氣／氟化氫／TVOC）等，通過CO傳感器、氫氣傳感器診斷到故障后，發(fā)出預(yù)警，并要求整車控制器進(jìn)行有效處理。電池管理系統(tǒng) （BMS）全面監(jiān)測電池的健康狀況。不同的傳感器各有優(yōu)劣勢，一般會通過多個不同的傳感器檢測動力電池?zé)崾Э厍闆r。

2．5．1 一氧化碳傳感器

為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時發(fā)現(xiàn)火情，提前預(yù)警，顯得非常重要。動力電池?zé)崾Э兀姵仄鸹鹎巴ǔa(chǎn)生大量CO，因此監(jiān)控CO的濃度無疑是一種有效的解決方案。一旦超過報警閾值，啟動報警啟，疏散人員及啟動滅火，從而爭取到更多寶貴的時間。

2．5．2 氫氣傳感器

對于新能源汽車而言，氫氣傳感器不僅能用于監(jiān)測儲氫瓶和燃料電池系統(tǒng)中氫氣的泄露，還能用于檢測排放尾氣中的氫氣濃度。新能源汽車也就能根據(jù)這些監(jiān)測的信息來實時分析電堆的性能和反應(yīng)程度，從而及時調(diào)整相關(guān)輸入指標(biāo)或數(shù)據(jù)配置來實現(xiàn)車輛的安全、高效運行。

3 電池管理系統(tǒng)傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

3．1 功能集成化趨勢

新能源電動汽車一直在朝向輕量化方向發(fā)展，與此同時對于部件的集成化要求更加嚴(yán)苛。BMS是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能集成的管理系統(tǒng)，其體積較小，因此要求傳感器具備多功能一體性，進(jìn)而能夠用最少數(shù)量傳感器就能夠全面監(jiān)控電池系統(tǒng)。在發(fā)生異常時，也能夠更快更準(zhǔn)的找到故障點。

3．2 監(jiān)測精準(zhǔn)化趨勢

未來產(chǎn)品對傳感器技術(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度將越來越精細(xì)，對于電流電壓、溫濕度等數(shù)據(jù)的采集需要更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而提升用戶對電池系統(tǒng)工況的準(zhǔn)確掌握。下一步需要從理論仿真、實驗研究兩個方面同時入手，研究探索出新一代監(jiān)測高效高精度的BMS傳感器。

3．3 產(chǎn)品安全化趨勢

功能安全是新能源電動汽車的基本要求，也是傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一方面是需要確保傳感器產(chǎn)品自身使用安全性，另一方面則是傳感器支撐起來的整個BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車安全性，影響用戶的駕駛體驗與人身安全。