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电池管理系统BMS的工作原理

2018-06-06 · 来源: 电子发烧友 关注度:13585 次
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BMS
摘要:电池管理系统,不同电芯类型,对管理系统的要求往往并不一样。

电池管理系统概念

电池管理系统,BMS(BatteryManagementSystem),是电动汽车动力电池系统的重要组成。它一方面检测收集并初步计算电池实时状态参数,并根据检测值与允许值的比较关系控制供电回路的通断;另一方面,将采集的关键数据上报给整车控制器,并接收控制器的指令,与车辆上的其他系统协调工作。电池管理系统,不同电芯类型,对管理系统的要求往往并不一样。

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▌电池管理系统功能

一般而言电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能:

1、准确估测动力电池组的荷电状态:

准确估测动力电池组的荷电状态(StateofCharge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

2、动态监测动力电池组的工作状态:

在电池充放电过程中,实时采集电动汽车蓄(应该为动力电池组)电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象。

同时能够及时给出电池状况,挑选出有问题的电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性,使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外,还要建立每块电池的使用历史档案,为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料,为离线分析系统故障提供依据。

3、单体电池间、电池组间的均衡:

即在单体电池、电池组间进行均衡,使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡。目前已投入市场的BMS,大多采用的是被动均衡。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

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▌电池管理系统原理

电池管理系统(BMS),即BatteryManagementSystem,通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态,并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施,实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。

典型电池管理系统拓扑图结构主要分为主控模块和从控模块两大块。具体来说,由中央处理单元(主控模块)、数据采集模块、数据检测模块、显示单元模块、控制部件(熔断装置、继电器)等构成。一般通过采用内部CAN总线技术实现模块之间的数据信息通讯。

基于各个模块的功能,BMS能实时检测动力电池的电压、电流、温度等参数,实现对动力电池进行热管理、均衡管理、高压及绝缘检测等,并且能够计算动力电池剩余容量、充放电功率以及SOC&SOH状态。

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▌电池管理系统的主要组成

(1)电池终端模块(主要进行数据采集,如:电压参数、电流参数、温度、通信信号等);

(2)中间控制模块(主要与整车系统进行通讯,控制充电机等);

(3)显示模块(主要进行数据呈现,实现人机交互)。

为满足相关的标准或规范,BMS的这些组成模块要完成的如下工作:

(1)电池参数检测。包括总电压、总电流、单体电池电压检测(防止出现过充、过放甚至反极现象)、温度检测(最好每串电池、关键电缆接头等均有温度传感器)、烟雾探测(监测电解液泄漏)、绝缘检测(监测漏电)、碰撞检测等;

(2)电池状态估计。包括荷电状态(SOC)或放电深度(DOD)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、故障及安全状态(SOS)等;

(3)在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号,采用诊断算法诊断故障类型,并进行早期预警。

电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障(如接触器、风扇、泵、加热器等),以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。电池组本身故障是指过压(过充)、欠压(过放)、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等;

(4)电池安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后,通过网络通知整车控制器,并要求整车控制器进行有效处理(超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源),以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害;

(5)充电控制。BMS中具有一个充电管理模块,它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级,控制充电机给电池进行安全充电;

(6)电池均衡。不一致性的存在使得电池组的容量小于组中最小单体的容量。电池均衡是根据单体电池信息,采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式,尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量;

(7)热管理。根据电池组内温度分布信息及充放电需求,决定主动加热/散热的强度,使得电池尽可能工作在最适合的温度,充分发挥电池的性能;

(8)网络通讯。BMS需要与整车控制器等网络节点通信;同时,BMS在车辆上拆卸不方便,需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、升级维护等,一般的车载网络均采用CAN;

(9)信息存储。用于存储关键数据,如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等;

(10)电磁兼容。由于使用环境恶劣,要求BMS具有好的抗电磁干扰能力,同时要求BMS对外辐射小。

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▌怎样构成电池管理系统

为一个新的和基于电池的电源系统设计监视器电路,那么你会采取什么策略来优化该设计的成本和可制造性呢?最初考虑的问题将是确定系统的首选结构以及电池和有关电子组件的位置。基本结构清楚以后,接下来必须考虑的一个问题是,电路拓扑的权衡协调问题,例如,怎样优化最终产品的通信和互连。

电池的外形尺寸将对电源系统结构有重大影响。要使用大量小型电池以适合形状复杂的电池模块(或电池组)吗?或者要使用外形尺寸很大的电池,因而由于重量问题而导致对电池数量的限制或引起其他的尺寸限制?

这也许是设计变数最大的部分,因为外形新颖的电池不断上市,而且人们也在不断努力,务求电池模块或电池组集成到产品中后,会与整个产品概念更加一致。例如,在汽车设计情况下,电池最终也许分散在车辆上的某些空间中,这些空间如果不放电池,利用效率很低。

另一个考虑因素是,电池(或模块化电池组)、电池管理系统(或其子系统)以及最终应用接口之间的测试信号和/或遥测信号的互连。

在大多数情况下,可以做一个外壳,用来集成电池模块或电池组中的某些数据采集电路,以便如果需要调换,那么生产ID、校准、使用规格等重要信息能随着可替换组件带走。这类信息对电池管理系统(BMS)或维修设备可能有用,而且最大限度地减少了线束中所需的高压额定值导线的数量。

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接下来,就给定的机械概念设计而言,监视硬件拓扑由精确定义的、所需支持的电池数量决定。在汽车应用中,一般情况下总共会有100个以上的电池测量点,而且系统的模块化将决定一个给定的电路系统测量多少个电池。最常见的情况是,以安全断接“维修插头”方式,将所有电池分成至少两个子组。

通过在故障情况下保持电压低于200V,这种方法最大限度地降低了维修人员可能遇到的触电危险。外形尺寸较大的电池组意味着,要采用两套隔离的数据采集系统,每套也许支持50个电池分接头。在有些情况下,所有电子组件都在一个经济实惠的印刷电路板上,但是这需要大量互连,如图1(a)所示。

或者,电子组件也可以分散放置,更加紧密地集成在电池模块中,但是这需要采用遥测链接方法。为了实现可靠的数据完整性,内置于汽车线束中的远端测量功能电路必须采用一种坚固型协议,例如广泛使用的CAN总线。

尽管真正的CAN总线接口涉及几个网络层,但是可以很方便地采用PHY层构成BMSLAN结构,以高效率地进行模块内的通信。这类分布式结构如图1(b)所示。该拓扑允许在几个小型处理器之间分配计算工作量,从而降低所需的数据传输速率,并减轻LAN方法可能引起的EMI问题。最终的BMS应用接口很可能是至一个主系统管理处理器的CAN总线接线,而且将需要定义(或在一开始规定)特定的信息事务处理。

其他因素也可能对物理结构和监视电路造成影响。就锂离子电池而言,需要电池容量平衡,从而导致了额外的热量管理问题(去除热量),而且如果需要有源平衡,还需要电源转换电路。温度探头常常分布在整个模块之上,以提供一种将电压读数与充电状态关联起来的方法,因而需要一些支持电路和连接方案。设计时一个常常忽视的考虑因素是,当产品安装之前闲置或储存在货架上时,电池的电量泄漏应该是最低的。在有些情况下,额外的控制配线是必要的。

在上面实现的这些结构中,都有一个常见的测量功能构件,该构件包括一个多通道ADC、安全隔离势垒和某种程度的本地处理能力。图2电路显示了一个实现数据采集功能的可扩展设计平台。

在这个图中,实现功能的核心组件是凌力尔特的LTC6803电池组监视器IC,同时显示的还有一个SPI数据隔离器和一些可选的特殊用途电路。该电路包括输入滤波器和无源平衡功能,构成了一个完整的12节电池数据采集解决方案。如果需要,这类电路可以简单地复制,以支持更多电池测量方案,同时共享主微控制器的本地SPI端口,该主微控制器反过来再提供外部CAN总线或其他LAN型数据链路所需。

与前一代监视器件相比,LTC6803的主要改进是,支持电源停机和/或单独由电池组供电。当电源从V+引脚去掉时,电池加载将降至零(仅有nA级半导体泄漏)。工作电源可以由接通的电池组电压提供,或从一个单独的电源提供给V+,只要电压始终至少与电池组一样高就行。为了实现简单性,LTC6803还可以直接从电池组获取功率,在这种情况下,最低功率状态(即备用)将仅消耗12uA电流。

LTM2883数据隔离器通过一个内部隔离的DC-DC转换器,从主处理器供电,因此该器件将自动与主处理器一起断电。LTM2883的一个非常有用的功能是,它还能向隔离的电子组件(即电池端)提供很大和得自主机的功率。

一个小型升压电源功能组件(图2中的LT3495-1)就是这样驱动的,以独立地给LTC6803供电,以便电池仅提供ADC测量输入电流(即在有效转换时平均值《200nA)。该电路具有绝对最低的寄生电池泄漏,同时消除了任何电池的工作电流失配,否则这种失配可能逐步导致电池容量失衡。

LTC6803的一个方便的功能是,有两个自由的、准确度与电池输入类似的ADC输入。这种方便的功能允许用很少的额外电路进行辅助测量,包括温度、校准信号或负载电流测量。一种尤其有用的测量是,用一个门控电阻分压器测量整个电池组的电压,实现方法如图2所示(采用12:1的比例,连接到VTEMP1输入)。

当电路断电时,相关的FET断开,这样对电流的测量就不会不必要地加重电池的负担。既然该端口的滤波可以独立于电池输入来定制,那么为了实现精确的充电电流计算所需的、真正高达200sps的奈奎斯特(Nyquist)采样率是可能的。可以利用对单个电池测量来周期性地对整个电池组的分压器提供软件校准,这样就不需要价格昂贵的电阻器了。

辅助输入的另一个非常有用的用法是,测量准确度很高的校准电源(诸如凌力尔特的LT6655-3.3,一个准确度为0.025%的基准),在这种用法中,允许软件凭借通道至通道的固有匹配,校正其他所有通道。请注意,热敏电阻器的温度探头不必以电池的电位为基准,这些探头一般也不需要12位的分辨率。这类探头通常适用于直接与微控制器连接,从而留出高性能LTC6803的辅助输入,以实现要求更加苛刻的功能。

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总之,在电池管理系统电路中需要考虑的因素有很多,特别是那些决定封装限制的因素。当封装设计思想汇聚在一起时,考虑一下也有可能产生机械影响的电子线路与信息流的结构(例如:连接器化和导线数目)同样也是很重要。

一旦权衡过这些因素而且封装设计思想成熟之后,只需直接插入一款采用LTC6803平台,一个声名卓著、可扩展和具成本效益的数据采集解决方案便大功告成了。

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