如何让电动汽车确保动力电池高效和安全地运作 核心就在BMS

2018-05-22  来自: 惠州精惠仪器设备有限公司 浏览次数:485

根据国际能源署的报告,2016年在全球行驶的电动汽车达到了200万辆,到2020年全球电动汽车的保有量将增长到900万-2000万,而这个数据在2025年将增加到4000万-9000万,市场成长的加速度惊人。

不过同时会把人们“惊”到的,还有不时见诸报端的电动车安全事故。有人将2010年以来中国发生的49起电动汽车事故进行了分析,发现有50%都与“电池”相关。这也难怪,作为电动汽车“心脏”的电池组,是由数以千计的单体锂电池构成的。锂电池是目前能量密度zui高的可商用的电池技术,据估算2017年全球锂离子动力电池的需求量大约为50GWh。而锂电池的“魔性”在于锂材料天生的不稳定性,如果遇到过充、过放、过温等使用中的问题,或者是制造工艺、结构材料方面的影响,就很可能发生燃爆事故。所以既要让锂电池为电动汽车提供强劲的能量,又要将其充满“魔性”的电化学反应过程很好地管控起来,这就需要一个大神级的角色出场。它就是BMS(电源管理系统)。

BMS是伴随着电动汽车的发展而发展起来的一个新技术,但由于“汽车”这个产品特殊的安全性要求,所以人们对于BMS的功能也给予了更多的厚望:BMS需要具有防止过充、避免过放、温度控制、保持电池组件电压和温度平衡、预测电池的剩余电量和剩余行驶里程等功能;同时,BMS还要具备实时监控并调整电池管理状态的能力、与多个平行子系统同步协调工作的能力。简言之,BMS就是对动力电池进行监测、分析、控制、反馈的一整套监控系统,确保动力电池高效和安全地运作,是BMS的核心职责所在。

BMS的技术架构来看,其zui核心的功能包括:

准确的电池状态估测。即对电池组的SOC(荷电状态)、SOP(功率状态)和SOH(健康状态)等参数做出准确的测量和估算,可以完成动态监测,对每块电池的状态做出诊断,为其建立使用历史数据档案,为数据分析和控制决策提供依据。

能量均衡。由于实际工作中电池组中的每个电池性能表现会出现差异,这种差异会对电池的寿命和系统的使用产生不良影响,所以需要通过能量均衡的手段去弥补电池个体之间的差异,确保其一致性,对电池组进行持续动态的“保养”。目前BMS中采用的有主动均衡和被动均衡两种能量均衡策略,它们各具特点(详见表1)。

保护功能。具备可靠的过充、过放保护,过流、过温、低温保护,多级故障诊断保护,确保在故障发生时能够做出快速响应。

数据通信功能。通过CAN总线或其他方式建立数据通信机制,并向显示系统、整车控制器、充电机等外部设备传输数据,甚至可以配备无线传输功能,连接至云端。

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为了支撑BMS的上述功能,各个技术厂商都在积极开发产品和解决方案。比如MaximIntegrated的MAX14920/MAX14921电池测量模拟前端器件,可以支持高精度采样电池电压,并提供电平转换,可支持多达16节/+65V(zui大)的主/辅电池组,通过外部的FET驱动器可支持被动电池均衡。

如果说MaximIntegrated提供的是高性能“单品”,TexasInstruments(TI)提供的则一道“套餐”。基于其TI的bq76PL455A-Q1集成式16节电池监视和保护器件,可搭建一套完整的被动电池均衡解决方案。bq76PL455A-Q1可监视和检测包括过压、欠压、过热和通信故障等多种故障,zui多允许十六个bq76PL455A-Q1器件通过单个UART接口与主机通信。

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NXP凭借其完整的汽车电子产品线,可提供包括微控制器MCU、模拟前端电池控制器IC、隔离网络高速收发器、系统基础芯片SBC等在内的完整的电池管理系统解决方案,通过该方案客户可管理高达800V以上的高压。

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除了上述芯片级的“硬功夫”,设计一个BMS系统还需要相应的“软实力”,即核心算法的开发。一个优秀的算法,不仅可以提高对电池组状态估测的精确度,还会具有很强的纠错能力,从而抵消可能由于电池品质等硬件因素造成的影响,使得对一致性不太好的电池同样能够实现精确控制,从而节省整体系统成本。算法的优劣还体现在其所需的硬件资源开销上,高效的算法只需少量的CPU计算资源即可完成,大大提升了系统的效率。

根据预测,到2020年中国车用动力电池的市场规模将达到1200亿元,届时国内电动车用BMS的市场规模将达170亿元。尽管BMS在整个电动汽车中的成本比重并不高,但为了确保动力电池不会成为“炸 弹”,开发 者确实应该将BMS视为一个“神”一样的存在,让其深深地根植在电动汽车的设计理念中。 


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