電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)精選方案及技術(shù)趨勢(shì)
發(fā)布時(shí)間:2016-10-31 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電動(dòng)車未來(lái)將以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來(lái)源,主因在于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢(shì),所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握,電池芯出廠時(shí)電量即存在些微差異,且隨著操作環(huán)境、老化等因素,電池間不一致性將愈趨明顯,電池效率、壽命也都將變差,再加上過(guò)充或過(guò)放等情況,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問(wèn)題。
電池管理系統(tǒng)BMS的重要性不言而喻,BMS是動(dòng)力電池組的核心技術(shù),也是整車企業(yè)最為關(guān)注的環(huán)節(jié)。
一、技術(shù)及趨勢(shì)
BMS屬于電池包一部分,電池包是新能源汽車核心能量源,為整車提供驅(qū)動(dòng)電能,它主要通過(guò)金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成,通過(guò)熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能,電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑;通過(guò)BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理,以及與整車的通訊及信息交換。
BMS主要作用包括:估測(cè)電池的荷電狀態(tài),檢測(cè)電池的使用狀態(tài),管控電池的循環(huán)壽命。在充電過(guò)程中對(duì)電池的熱管理,啟停鋰電池的冷卻系統(tǒng),同時(shí)也管理單體電池之間的均衡,防止單體電池過(guò)充過(guò)放產(chǎn)生危險(xiǎn)。另外監(jiān)測(cè)整個(gè)電池的健康工作狀態(tài)。
圖表1 國(guó)內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)
目前電池管理系統(tǒng)有主動(dòng)式均衡和被動(dòng)式均衡兩種管理模式。兩種管理模式各有優(yōu)缺點(diǎn),所采用的方式普遍為采集單體電池電壓,串聯(lián)電流,以及溫度以及電池組的電壓,然后將這些信號(hào)傳給運(yùn)算模塊進(jìn)行處理發(fā)出指令,最后將整個(gè)處理的信息指令通過(guò)CAN通訊系統(tǒng)傳送給汽車中央控制單元或整車VMS系統(tǒng)。
二、國(guó)內(nèi)車用BMS廠家淺析
國(guó)內(nèi)主流車用BMS廠家都有被動(dòng)均衡技術(shù),而且其中絕大部分都有主動(dòng)均衡技術(shù)儲(chǔ)備。在廠家給的配置單上,主動(dòng)均衡是一個(gè)“選配”功能。被動(dòng)均衡的BMS裝機(jī)量較大,占據(jù)新能源汽車市場(chǎng)較高的份額,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主動(dòng)均衡BMS的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)的新能源汽車主要是中低端產(chǎn)品,考慮到成本及配置需求方面,被動(dòng)均衡相對(duì)較易接受。隨著新能源汽車產(chǎn)品的向高端發(fā)展,對(duì)BMS的要求也越來(lái)越高,主動(dòng)均衡技術(shù)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
在軟件方面其最核心的技術(shù)在于SOC的估測(cè)算法,電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電荷狀態(tài)估測(cè)是BMS控制算法的核心所在,直接影響到電動(dòng)汽車的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)。SOC 是BMS中最重要的參數(shù),目前大部分BMS廠家的SOC估算精度是在5%以內(nèi)的,部分是在8%以內(nèi)。
對(duì)于BMS的技術(shù),目前各大芯片廠家都推出了自己的解決方案,以及針對(duì)性的底層芯片,供廠家進(jìn)行二次開發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個(gè)大的廠商,TI(德州儀器)、ST(意法半導(dǎo)體)、ADI(亞德諾)、ATMEL(艾特梅爾)、Infinen(英飛凌)、Linear(凌力爾特)、Maxim(美信)等廠家。國(guó)內(nèi)的BMS企業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),包括硬件設(shè)計(jì),軟件的搭建等。
三、ADI、ON、TI電動(dòng)汽車電池管理解決方案
(一)ADI全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)
1.方案特點(diǎn)
鋰離子電池組包含大量的電池單元,必須正確監(jiān)控才能提高電池效率,延長(zhǎng)電池壽命確保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充當(dāng)主監(jiān)控器,向系統(tǒng)演示平臺(tái)評(píng)估板提供精確的電壓測(cè)量數(shù)據(jù),而 6 通道 AD8280 器件充當(dāng)副監(jiān)控器和保護(hù)系統(tǒng)。
AD8280 是一款用于鋰離子電池組的純硬連線安全監(jiān)控器,配合 AD7280A 使用時(shí),可提供具有可調(diào)閾值檢測(cè)和共用或單獨(dú)報(bào)警輸出的低成本、冗余、備用電池監(jiān)控器。它具有自測(cè)功能,因此適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車等高可靠性應(yīng)用或者不間斷電源等高壓工業(yè)應(yīng)用。AD7280A 和 AD8280 均從監(jiān)控的電池單元獲得電源。
ADuM5404集成一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器,用于向ADuM1201和ADuM1401隔離器的高壓端供電,以及向AD7280ASPI接口提供VDRIVE電源。這些4通道、磁性隔離電路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解決方案。
2. 方案框圖
ADI全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)
3. 芯片參數(shù)
3.1 ADI AD7280A 參數(shù)
單顆處理 4-6 s 前端
12 Bit ADC 采樣,平均每通道采樣時(shí)間1 us
能夠?qū)?個(gè)通道的電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),典型
精度達(dá)±1.6 mV (典型值)
多個(gè) AD7280A 可采用菊花鏈連接,單個(gè)電路
板最多可監(jiān)控 48 個(gè)電池單元,轉(zhuǎn)換只需7 μs
提供被動(dòng)式電池單元平衡控制功能
轉(zhuǎn)換模式下功耗小于6 mA
斷電模式下功耗小于1.8 uA
SPI 通信提供CRC 校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的可靠性
3.2 ADI AD8280 參數(shù)
電壓范圍:6.0 V–30 V
多路輸入可監(jiān)控 3-6 路電池電壓和 2 個(gè)溫度
可調(diào)監(jiān)控閥值:過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫
報(bào)警選項(xiàng):?jiǎn)为?dú)或者共用報(bào)警
可通過(guò)菊花鏈方式連接
(二)ON 電池監(jiān)護(hù)方案
(三)TI推出電池主動(dòng)式均衡負(fù)載技術(shù)
1.方案特點(diǎn)
TI推薦電動(dòng)車所采用的主動(dòng)均衡方式:每個(gè)電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合,形成一個(gè)有調(diào)整功能的電壓/電流蓄水池的功能,當(dāng)電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導(dǎo)致整組電池充放電容量下降,可藉由后端連接蓄水池的線路做調(diào)整,充電時(shí)不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)控到某個(gè)電池芯內(nèi)壓過(guò)高而停止充電,放電時(shí)也可以完全的100%的釋放能源,進(jìn)而延長(zhǎng)電動(dòng)車的行駛距離。
TI在隔離式DC-DC主動(dòng)均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應(yīng)芯片所組成,其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片,與EMB1499為七信道電壓控制芯片等,來(lái)建構(gòu)十四通道雙向主動(dòng)式電池芯均衡功能,串聯(lián)14顆電池芯與最高60V工作電壓,提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力,并滿足AECQ-100車用電子驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。
2.芯片參數(shù):
2.1 EMB1432Q
單顆處理 14S前端模擬
最高輸入耐壓60V
輸出電壓誤差為+/- 1mV
SPI 通訊支持1MHz
符合ACE-Q100汽車規(guī)范
2.2 EMB1428Q
最高輸入耐壓60V
SPI 通訊支持1MHz
最低待機(jī)功耗(<100uA)
符合ACE-Q100汽車規(guī)范
2.3 EMB1499Q
最高輸入耐壓60V
SPI 通訊支持1MHz
最低待機(jī)功耗(<30uA)
符合ACE-Q100汽車規(guī)范
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