深度剖析电动汽车电池管理系统

汽车行业正在发生变化。今天必须由内燃机 （ICE） 承载的负载，在未来将由混合动力、电动甚至燃料电池驱动的车辆来处理。过去，许多制造商专注于传统 ICU 和传动系统所需的机械部件。未来，将关注其他组件。

它包括开发新型固态电池，以实现更长的续航里程——以及增加的充电和放电行为——这是目前可充电锂电池无法实现的。反过来，这可能会导致高性能充电器、DC/DC转换器和电动机的发展。

在这里，在这个技术十字路口，电池管理系统（BMS）作为核心组件，对于正确管理和监控电池至关重要。

目前，锂离子电池正用于电动汽车。它们连接起来形成一个电池组件，直到达到所需的总电压。目前可用的单节电池电压约为 3.6 V 至 3.7 V，用于牵引电池的高压系统需要大约 140 至 250 个单节电池才能产生 520 V 或 900 V 的电压。在这种配置中，必须监测电池的温度、阻抗或内部电池电阻、电压以及充电和放电电流。

BMS设计细节

BMS 设计包含多个组件，包括电池管理控制器 （CMC） 和电池管理控制器 （BMC）。在这里，CMC 使用多通道 IC（目前配备多达 16 个通道）来执行监控功能，而 BMC 则处理各个 CMC 的控制功能（图 1）。

图 1电池管理系统的概念结构与接口描述一起显示。

通常，外部 NTC 电阻器直接连接到电池以测量温度。随着电阻器升温，由于负温度系数，电导率提高。因此，可以使用 IC 中的评估来确定电池温度。

此时，阻抗测量并未得到充分利用。这种测量的优势在于它提供了对充电状态 （SOC） 和健康状态 （SOH） 的更准确估计。简单来说，该方法应用不同频率的交流电。然后，可以使用基于软件的模型转换和解释复杂的电压，就像电流一样。

单节电池电压通常使用集成在 IC 中的模数转换器 （ADC） 来测量。在这种方法中，多路复用器按顺序测量各个电压，并使用 ADC 将它们转换为数字信号。然后可以评估这些数字信号。

充电或放电电流不是针对每个单独的电池进行测量，而是针对电池组件进行测量。这种方法的背景是电池组通过中央充电器“充电”，可以通过车载充电器 （OBC） 形式的集成充电器进行交流充电，也可以通过外部充电器进行直流充电。充电器。通过串联电池，相同的电流流过所有电池，系统中的电流只需测量一次。为此，使用霍尔效应电流传感器或低电阻分流电阻器。

BMS 的另一个核心任务是平衡各个单元格。在单个电池的生产过程中，容量和内阻会因工艺而波动。结果，在电池组件的充电或放电中存在不均匀性。但是，为了确保可以使用电池的所有能量（即范围），各个电池在容量和电压方面是平衡的。这里有两种实现电荷平衡的基本原理：主动平衡和被动平衡。

电荷平衡的工作原理

通过主动平衡，在使用场效应晶体管 （FET） 的开关操作中，电池的多余能量通过电子威廉希尔官方网站 传输到线圈中。在接下来的开关操作中，线圈中的能量通过二极管馈送到下一个电池。这种方法一直持续到所有电池都达到其完全充电电压（图 2）。

图 2这是主动平衡概念操作的总体视图。

在被动平衡中，电池的多余能量使用泄放电阻器转换为热量。IC 在为电池充电的同时测量电池电压，并在达到阈值时立即连接电阻。这一过程可以同时发生在一个或多个细胞上（图 3）。这里使用的电阻器通常使用厚膜技术制造。它们具有相对较高的温度系数和较高的初始公差。

图 3该图显示了被动平衡的概念操作。

然而，与具有相同占位面积的传统厚膜电阻器相比，替代方法，例如基于双涂层CRCW-HP电阻器和经过特殊修整的RCS电阻器，可实现两倍或三倍的连续功率。因此，在功率要求相同的情况下，使用这些电阻器可以节省资金并减少 PCB 上所需的空间。

RCL 系列实现了另一种可能性，由于在长边端接，它还允许更高的连续功率和更好的热循环性能。鉴于汽车行业要求在 55°C 至 +125°C 的温度范围内以及在增加的循环条件下实现元件和 PCB 之间的稳定焊接连接，这些电阻器也可以证明是非常合适的。

然而，由于主动平衡的高威廉希尔官方网站 成本和单个电池的内部电阻和电容的制造公差更窄，被动平衡主要用于汽车设计中的高级应用。

功能安全合规性

电池及其监控系统对安全至关重要。因此，系统中使用的组件以及整个系统本身必须根据 ISO 26262 进行开发，以满足 ASIL-D 规定的要求。在 BMS 中，电压、温度和电流的测量，除内阻测量外，与安全气囊系统、制动系统和动力转向系统处于同一水平。如果这些系统出现故障或行为有缺陷，车辆和乘客将面临直接危险。

在这里，冗余测量方法可以最大限度地降低风险。

在这种情况下，监控电池电压是最关键的参数之一，因为单个电池的过度充电或深度放电会导致内部短路，从而在电池下次充电时导致热失控。

可以使用两个电池 IC 执行冗余电池电压测量。这种方法的第一个缺点是电压测量采用相同的方法。其次，该解决方案的成本相对较高。

另一种解决方案是使用泄放电阻以模拟方式测量电池电压，并将其与 IC 的电池电压测量结果进行比较。这提供了一种独立的测量机制，可以以具有成本效益的方式实现。但是，前面描述的厚膜泄漏电阻器并不适用。相反，应该使用薄膜电阻器，因为它们可以保证在整个使用寿命期间进行精确测量，即使在苛刻的使用条件下也是如此。

以采用特殊薄膜技术制造的MC-HP 系列为例。它结合了长期稳定性 （≤ 0.2 %; P 70 ， 1000 h） 的优点和两倍于标准薄膜电阻器的性能。接下来，MCW 系列采用 0406 和 0612 尺寸的薄膜技术，长边有端接。它满足长期稳定性（≤ 0.2 %; P 70 ， 1000 h）和连续功率与空间的要求，在所需常规空间的三分之一处几乎具有相同的连续功率（图 4）。

图 4薄膜电阻器在长边端接，具有更高的性能，并且比传统端子需要三分之一的空间。

此外，这些电阻器的热循环性能提高了 3，000 次。凭借这些特性，这些电阻器适合在 BMS 中用作泄放电阻器或电池电压测量电阻器，以在整个系统中实现 ASIL-D 指示的未来要求。

如果对整个系统没有深入的工程理解，就无法再选择组件，尤其是用于使传动系统电气化的组件。这是因为对单个组件的性能要求越来越高、对外形尺寸的要求越来越小、对使用寿命的估计以及更严格的安全要求。