電池管理系統(tǒng)（BMS）

概述

電池管理系統(tǒng)（BMS）為一套保護(hù)動(dòng)力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過(guò)必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車(chē)輛的使用安全提供保障。作為國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)商，在控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面擁有雄厚的實(shí)力和豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以為客戶在電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面提供優(yōu)質(zhì)的工程和配套服務(wù)。

為什么要有BMS系統(tǒng)
如果想把電動(dòng)汽車(chē)上這個(gè)“將軍”理解透徹首先還是要從下面的士兵說(shuō)起。BMS系統(tǒng)主要應(yīng)用在二次電池上，尤其對(duì)于目前主流的使用鋰離子電池的電動(dòng)新能源汽車(chē)尤為重要。

不管車(chē)輛使用的是哪種鋰離子電池，動(dòng)力電池都是由一個(gè)個(gè)小的電池單體通過(guò)串、并聯(lián)的方式組成電池組，再由電池組最終組成車(chē)輛的動(dòng)力電池單元。

特斯拉汽車(chē)電池組PACK單元

而在電池組中真正發(fā)揮儲(chǔ)能作用的是電池組中每一個(gè)小小的電池單體，比如特斯拉使用的18650鋰離子電池，其實(shí)數(shù)字代表的就是每一個(gè)電池單體直徑為18mm，長(zhǎng)度為65mm。而一輛85kW？h版本的Tesla Model S的電池組就由接近7000節(jié)18650鋰電池構(gòu)成。

一輛汽車(chē)上有如此多的電池單體，而每一個(gè)小的電池單體都是單獨(dú)制造的，因?yàn)殡姵氐碾娀瘜W(xué)特性的原因出廠后的電池存在每個(gè)單體儲(chǔ)能一致性存在差別的問(wèn)題。而充電時(shí)又是從一個(gè)充電口來(lái)為車(chē)子充電，如何保證每一塊電池都充滿電，而又不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度充電對(duì)電池造成損害就是BMS系統(tǒng)要解決的問(wèn)題之一。

BMS 的硬件拓?fù)?/span>

BMS 硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為集中式和分布式兩種類(lèi)型。

集中式是將電池管理系統(tǒng)的所有功能集中在一個(gè)控制器里面，比較合適電池包容量比較小、模組及電池包型式比較固定的場(chǎng)合，可以顯著的降低系統(tǒng)成本.

分布式是將BMS 的主控板和從控板分開(kāi)，甚至把低壓和高壓的部分分開(kāi)，以增加系統(tǒng)配置的靈活性，適應(yīng)不同容量、不同規(guī)格型式的模組和電池包。

        集中式或分布式的各種BMS 硬件方案

BMS 的狀態(tài)估算及均衡控制

針對(duì)電池在制造、使用過(guò)程中的不一致性，以及電池容量、內(nèi)阻隨電池生命周期的變化，應(yīng)用多狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法、內(nèi)阻/ 容量在線識(shí)別等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池全生命周期的高精度狀態(tài)估算。經(jīng)測(cè)算，針對(duì)三元鋰電池，常溫狀態(tài)下單體電池SOC 估算偏差可達(dá)最大2%，平均估算偏差1%。
同時(shí)針對(duì)電池單體間的不一致性，使用基于剩余充電電量一致等均衡策略，最大程度的揮電池的最大能效。

電池內(nèi)短路的快速識(shí)別

電池內(nèi)短路是最復(fù)雜、最難確定的熱失控誘因，是目前電池安全領(lǐng)域的國(guó)際難題，可導(dǎo)致災(zāi)難性后果。電池內(nèi)短路無(wú)法從根本上杜絕，目前一般是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（2 周以上）的擱置觀察以期早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

在電池的內(nèi)短路識(shí)別方面，利用對(duì)稱(chēng)環(huán)形電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（SLCT）及相關(guān)算法，可以在極短時(shí)間內(nèi)（5 分鐘內(nèi)）對(duì)多節(jié)電池單體進(jìn)行批量?jī)?nèi)短路檢測(cè)，能夠識(shí)別出0~100kΩ量級(jí)的內(nèi)短路并準(zhǔn)確估算內(nèi)短阻值。這種方法可顯著降低電芯生產(chǎn)企業(yè)或模組組裝廠家的運(yùn)營(yíng)成本，提高電池生產(chǎn)及使用過(guò)程的安全性。

電池內(nèi)短路檢測(cè)設(shè)備，可以達(dá)成如下指標(biāo)：

? 檢測(cè)范圍：0~100kΩ量級(jí)內(nèi)短路

? 內(nèi)短路阻值估計(jì)：規(guī)定區(qū)間內(nèi)精度達(dá)±5%

?   單次檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)：1~5min（根據(jù)精度需求調(diào)節(jié)）

? 檢測(cè)對(duì)象：電池（無(wú)體系容量限制）、電容等

?   單臺(tái)設(shè)備年監(jiān)測(cè)能力：

▼1~5 千萬(wàn)節(jié)電池單體
▼2~11GWh(60Ah NCM)，0.13~0.65GWh(18650 3.5Ah NCM)
▼定制設(shè)備可承擔(dān)整條產(chǎn)線或多條產(chǎn)線的內(nèi)短路檢測(cè)任務(wù)

關(guān)于AFE

AFE（analog front end），中文是模擬前端，在BMS里面專(zhuān)指電池采樣芯片，用來(lái)采集電芯電壓和溫度等。
寫(xiě)這個(gè)之前，想了比較久，AFE這一塊實(shí)在是能寫(xiě)的地方太多了，某一個(gè)小地方都可以扯上一陣；最后還是決定從一個(gè)問(wèn)題切入，中間順帶介紹一點(diǎn)AFE相關(guān)東西，這樣內(nèi)容就不至于顯得太生硬和教條化。

這個(gè)問(wèn)題就是：如何選擇一款合適的AFE？

        AFE在BMS里面的位置（圖片于TI官網(wǎng)）

        按照正常的思維邏輯，當(dāng)然是對(duì)我們的輸入需求進(jìn)行分析，然后再做出選擇；實(shí)際呢，上面這句話只有一半是對(duì)的，因?yàn)榭晒┪覀冞x擇的AFE不多，所有的需求都要向現(xiàn)實(shí)妥協(xié)；就像一個(gè)大廚，可以做出滿足顧客需求的各類(lèi)風(fēng)味，但手里卻只有豆腐這一種食材，怎么都有些捉襟見(jiàn)肘。

        上圖是ADI的LTC6813的內(nèi)部功能框圖，目前市面上可以接觸到的AFE內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異，不同點(diǎn)更多是集中在硬件資源方面；還有的話就是針對(duì)功能安全要求所設(shè)計(jì)的架構(gòu)形式。簡(jiǎn)單來(lái)講，最主要的不同點(diǎn)是采樣通道數(shù)量、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類(lèi)型與架構(gòu)（關(guān)于ADC這一塊，后面可以單獨(dú)拿出來(lái)討論）。
我們獲得的外部輸入需要主要于兩部分：國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及客戶的需求。兩個(gè)部分之間一定會(huì)有交叉，這就需要我們自己去分辨了，好消息是，一般客戶的需求會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格。

      BMS可以參考的主要標(biāo)準(zhǔn)是QC／T 897－2011，由于更新的版本暫時(shí)還沒(méi)出來(lái)，先拿這個(gè)來(lái)講；里面針對(duì)AFE最主要的要求就是采集精度（如下圖），這個(gè)是我們的底線；標(biāo)準(zhǔn)里面指標(biāo)要求不是很?chē)?yán)格，而且測(cè)試條件寫(xiě)的很模糊，最新的討論稿要好很多。關(guān)于AFE的電壓采集精度的測(cè)量與驗(yàn)證，看起來(lái)簡(jiǎn)單，但怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)精準(zhǔn)的電壓參考源，尤其在EMC測(cè)試中，是一個(gè)值得討論的問(wèn)題。

來(lái)自客戶的需求就比較多了，其中影響AFE選擇的主要就是電池模組的配置。例如，最小的一個(gè)Module是幾串幾并的？一共有多少個(gè)模組？   再就是一些細(xì)節(jié)的要求，如采樣精度，溫度點(diǎn)數(shù)量，功能安全需求等。
      現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)于并聯(lián)在一起的電芯，我們是當(dāng)做同一個(gè)電芯去采樣的；進(jìn)一步的，電芯基本都是先并后串，用以減少對(duì)采樣通道的需求；但讓我們頭疼的事情是，一個(gè)Module里面串聯(lián)的電芯數(shù)量不是固定的，再就是電芯的總串聯(lián)數(shù)量也不統(tǒng)一。這樣的話就需要我們?nèi)テヅ涿恳环N模組的電芯數(shù)量，更不幸的是，AFE的最大電壓通道數(shù)量是不連續(xù)的分布（主要分為3個(gè)檔次：6s左右、12s左右和18s左右），這樣就要仔細(xì)選擇合適的通道數(shù)量進(jìn)行匹配，做到既不浪費(fèi)也不勉強(qiáng)。所以尤其對(duì)于第三方獨(dú)立的BMS廠家來(lái)說(shuō)，因?yàn)楸旧淼脑捳Z(yǔ)權(quán)有限，夾在主機(jī)廠和電芯廠之間，想做出一個(gè)平臺(tái)版本的產(chǎn)品是比較困難的。

      而且還會(huì)涉及到一種比較特殊的場(chǎng)景，就是AFE跨接模組進(jìn)行采樣（如下圖）。簡(jiǎn)單說(shuō)就是把銅排上面的壓降一起采回來(lái)；我們可能用一個(gè)獨(dú)立的通道去采集，或者把它和電芯放在一起去采集。無(wú)論哪種方式，都會(huì)涉及到一種負(fù)壓的采樣問(wèn)題，這就需要AFE的采樣通道可以承受負(fù)壓，目前來(lái)看，能做到的廠家不多，很多廠家的產(chǎn)品都在朝這個(gè)方向演進(jìn)。

除了采樣精度外，容易被我們忽略的就是AFE的溫度采樣通道數(shù)量。推薦的溫度通道與電壓通道數(shù)量比是1：2，不要再小了，因?yàn)榭赡軙?huì)造   成溫度通道數(shù)量不夠用。除了采集外部的NTC，板內(nèi)還可能會(huì)有一些模擬信號(hào)，所以，溫度采樣通道是比較緊張的資源。

        目前可供我們選擇的車(chē)規(guī)AFE資源是有一些的（如下表），可能有些信息不太準(zhǔn)確，有些還處于樣片階段，僅供參考。里面把美國(guó)和非美國(guó)的器件分了類(lèi)，其實(shí)NXP和瑞薩與美國(guó)的關(guān)系也比較密切，有些說(shuō)不清。國(guó)內(nèi)的AFE起步有點(diǎn)晚，可以看到實(shí)際上車(chē)的幾乎沒(méi)有。

總結(jié)
前面走馬觀花地介紹了選擇AFE的幾個(gè)主要依據(jù)，其實(shí)如果公司的平臺(tái)已經(jīng)建立好，就很難選型新的AFE，只在老的平臺(tái)上反復(fù)演進(jìn)。把成熟的電路拿過(guò)來(lái)直接用，對(duì)工程師來(lái)講，是好事也是壞事，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，最好要經(jīng)歷過(guò)從0到1的過(guò)程。