電動汽車電池管理系統(tǒng)設計方案

大家好，小科來為大家解答以上問題。電動汽車電池管理系統(tǒng)設計方案這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、汽車工業(yè)正在發(fā)生變化。

2、今天必須由內(nèi)燃機(ICE)承載的負載將在未來由混合動力、電動甚至燃料電池驅(qū)動的車輛來處理。

3、在過去，許多制造商專注于傳統(tǒng)ICU和傳輸系統(tǒng)所需的機械部件。

4、今后將關(guān)注其他組件。

5、在這個技術(shù)十字路口，電池管理系統(tǒng)(BMS)作為核心部件，對電池的正確管理和監(jiān)控至關(guān)重要。

6、目前，鋰離子電池正被用于電動汽車。

7、它們被連接以形成電池組件，直到達到所需的總電壓。

8、目前可用的單體電池電壓約為3.6 V至3.7 V，用于動力電池的高壓系統(tǒng)需要約140至250個單體電池才能產(chǎn)生520 V或900 V電壓。

9、在這種配置中，必須監(jiān)控電池的溫度、阻抗或內(nèi)部電池電阻、電壓以及充電和放電電流。

10、BMS設計細節(jié)

11、BMS設計由幾個組件組成，包括電池管理控制器(CMC)和電池管理控制器(BMC)。

12、在這里，CMC使用多通道IC(目前配備多達16個通道)來執(zhí)行監(jiān)控功能，而BMC處理每個CMC的控制功能(圖1)。

13、圖1顯示了電池管理系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)以及界面描述。

14、來源：微視。

15、通常，外部NTC電阻直接連接到電池來測量溫度。

16、隨著電阻變熱，由于負溫度系數(shù)，電導率會增加。

17、因此，IC中的評估可用于確定電池溫度。

18、此時，阻抗測量沒有被充分利用。

19、這種測量的優(yōu)點是它提供了對充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)的更精確的估計。

20、簡單來說，這種方法就是施加不同頻率的交流電。

21、然后，可以使用基于軟件的模型來轉(zhuǎn)換和解釋復雜的電壓，就像電流一樣。

22、單個電池的電壓通常由集成在IC中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來測量。

23、在這種方法中，多路復用器依次測量電壓，并使用ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

24、然后可以評估這些數(shù)字信號。

25、或者充電和放電電流不是針對每個單個電池測量的，而是針對電池組件測量的。

26、這種方法的背景是電池組由充電器“充電”，充電器可以由車載充電器(OBC)形式的集成充電器或外部充電器充電。

27、充電器。

28、通過串聯(lián)電池，相同的電流流過所有電池，系統(tǒng)中的電流只需要測量一次。

29、為此，使用霍爾效應電流傳感器或低電阻分流電阻。

30、BMS的另一個核心任務是平衡每個細胞。

31、在單體電池的生產(chǎn)過程中，容量和內(nèi)阻會因工藝而產(chǎn)生波動。

32、結(jié)果，電池組的充電或放電不均勻。

33、但是，為了確保電池的所有能量(即范圍)都能被使用，每個電池在容量和電壓方面都是平衡的。

34、實現(xiàn)電荷平衡有兩個基本概念：主動平衡和被動平衡。

35、電荷平衡的工作原理

36、通過主動平衡，在使用場效應晶體管(FET)的開關(guān)操作中，電池多余的能量通過電子電路傳遞給線圈。

37、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電池。

38、這種方法一直持續(xù)到所有電池達到完全充電電壓(圖2)。

39、圖2這是主動平衡概念操作的總體視圖。

40、來源：微視。

41、在被動平衡中，電池多余的能量通過分壓電阻轉(zhuǎn)化為熱量。

42、IC 在為電池充電的同時測量電池電壓，并在達到閾值時立即連接電阻。

43、這一過程可以同時發(fā)生在一個或多個細胞上（圖 3）。

44、這里使用的電阻器通常使用厚膜技術(shù)制造。

45、它們具有相對較高的溫度系數(shù)和較高的初始公差。

圖 3該圖顯示了被動平衡的概念操作。

48、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。

50、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。

52、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，由于主動平衡的高電路成本和單個電池的內(nèi)部電阻和電容的制造公差較窄，被動平衡主要用于汽車設計中的高級應用。

功能安全合規(guī)性

電池及其監(jiān)控系統(tǒng)對安全至關(guān)重要。

56、因此，系統(tǒng)中使用的組件以及整個系統(tǒng)本身必須根據(jù) ISO 26262 進行開發(fā)，以滿足 ASIL-D 規(guī)定的要求。

57、在 BMS 中，電壓、溫度和電流的測量，除內(nèi)阻測量外，與安全氣囊系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于同一水平。

58、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。

在這里，冗余測量方法可以最大限度地降低風險。

在這種情況下，監(jiān)控電池電壓是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，因為單個電池的過度充電或深度放電會導致內(nèi)部短路，從而在電池下次充電時導致熱失控。

可以使用兩個電池 IC 執(zhí)行冗余電池電壓測量。

62、這種方法的第一個缺點是電壓測量采用相同的方法。

63、其次，該解決方案的成本相對較高。

另一種解決方案是使用泄放電阻以模擬方式測量電池電壓，并將其與 IC 的電池電壓測量結(jié)果進行比較。

65、這提供了一種獨立的測量機制，可以以具有成本效益的方式實現(xiàn)。

66、但是，前面描述的厚膜泄漏電阻器并不適用。

67、相反，應該使用薄膜電阻器，因為它們可以保證在整個使用壽命期間進行精確測量，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。

69、它結(jié)合了長期穩(wěn)定性 (≤ 0.2 %; P 70 , 1000 h) 的優(yōu)點和兩倍于標準薄膜電阻器的性能。

70、接下來，MCW 系列采用 0406 和 0612 尺寸的薄膜技術(shù)，長邊有端接。

71、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。

74、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。

76、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量電阻器，以在整個系統(tǒng)中實現(xiàn) ASIL-D 指示的未來要求。

如果對整個系統(tǒng)沒有深入的工程理解，就無法再選擇組件，尤其是用于使傳動系統(tǒng)電氣化的組件。

78、這是因為對單個組件的性能要求越來越高、對外形尺寸的要求越來越小、對使用壽命的估計以及更嚴格的安全要求。

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

80、

本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。