電動汽車的集中式和分布式BMS分析

1、電動汽車的集中式和分布式BMS分析由于汽車電氣化的水平發(fā)展，乘用車用電池管理系統(tǒng)，未來可以在低壓啟動 電池（12V&48V）和高壓 HEVfe池（1kwh1.5kwh）和 PHEVt池（4 18kwh）和 BEV電 池（2085kwh）等電池系統(tǒng)里面看得到。低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)差異很大。電池系 統(tǒng)差異在各個車廠和各個應(yīng)用平臺之間都比較大，各個企業(yè)有自己的風格，本文主要通過對不同廠家的產(chǎn)品做資料分析，根據(jù)各個車廠未來應(yīng)用的內(nèi)部的電池管 理系統(tǒng)按照目前的模塊化策略，來整合分析電池管理系統(tǒng)。應(yīng)該說未來各家車廠 設(shè)計理念的演變，使得高壓電池系統(tǒng)是有一定的相似性的， 這里主要敘述高壓電 池包里面的電池管理

2、系統(tǒng)的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集中 式管理系統(tǒng)案例分析、分布式管理案例分析和產(chǎn)品設(shè)計的幾點考慮幾個部分。限 于本人的水平和對案例的認知有限， 難免有些偏差或者錯誤，在這里僅是拋磚引 玉，請各位讀者海涵。第一部分電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)有三種不同的構(gòu)型，我們可以稱為集中式管理系統(tǒng)、半分布式 管理系統(tǒng)和分布式管理系統(tǒng)。1）集中式管理系統(tǒng)（大BMST式）：這種管理架構(gòu)，是將所有的采集單體電壓 &電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊 BMSR上，由整車控制器直接控制繼電 器控制盒。大部分低壓的HEVtB是這樣的結(jié)構(gòu)，PHEq口 EV典型的應(yīng)用如LEAF Cma蝎。這樣做的優(yōu)點，是相

3、對而言比較簡單，成本較低，由于采集備份在同 一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點當然是很明顯的，單體采樣的線束比較長， 導致采樣導線的設(shè)計較為復雜，長線和短線在均衡的時候?qū)е骂~外的電壓壓降； 整個包的線束排布也比較麻煩一些，整塊 BM甑能支持的最高的通道也是有限 的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方?jīng)]法保證，只能適用 于較小的電池包。2）分布式管理系統(tǒng)（BMU修個CSCT式）：這種是將電池模組（模組和CSC- 配一的方式）的功能獨立分離，整個系統(tǒng)形成了 CSC件體管理單元）、BMU電池 管理控制器）、S-Box繼電器控制器和整車控制器，三層兩個網(wǎng)絡(luò)的形式。典型 的應(yīng)用如德系的I3

4、、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優(yōu)點 是可以將模組裝配過程簡化，采樣線束固定起來相對容易，線束距離均勻，不存 在壓降不一的問題；如后面分析的那樣，當電池包大了以后，這種模式就很有優(yōu) 勢了。缺點是成本較高，如3所示，需要額外的MCU獨立的CAN總線支持將各 個模塊的信息整合發(fā)送給BMS總線的電壓信息對齊設(shè)計也相對復雜。這種方案 系統(tǒng)成本最高，但是移植起來最方便，屬于單價高開發(fā)成本低的典型，電池包可 大可小。3）半分布式管理系統(tǒng)（BMU效量大CSC方式）：簡單一些來說，這就是兩種模 式的妥協(xié)，主要用于模組排布比較奇特的包上，典型的應(yīng)用如Smart ED和

5、Volt。 這是一種是將電池管理的子單元做的大一些， 采集較多的單體通道，這樣做的好處是整個系統(tǒng)的部件較少，但是需要注意的是這種方式優(yōu)勢不太明顯， 主要是部 件不少而且功能集中度也高一些，是三種方案里面成本較高的方案。圖1三種電池管理系統(tǒng)架構(gòu)MEVPHEVEVPriui Cmax,Jetta,LEAF、FluenceZES Kangoo1集中式大多數(shù)HEVC-Max/Fu$ionPHEV、Twizy18. Goff GTE/A3 PHEV.E-Up、t3v 500e2分布式Active HybridOutlander PHEVi-MiEVK Models3半分布式Volt. Prius PHE

6、VSmart ED圖2部分主流車輛的管理系統(tǒng)劃分BMICvrBMIC聞 SPiCAN XCVRBMICvrBMIC聞 SPiCAN XCVR圖3分布式和集中式架構(gòu)基本對比可以說，如果將整車控制和電池管理系統(tǒng)的放在一起來看的話，整個功能分配會更加完整一些。當功能進行劃分完畢之后，我們可以進一步對各個部件進行 硬件和軟件的定義。總的趨勢變化：a）BMS+BM0元肯定會保留功能單體相關(guān)的功能（電壓、溫度測量和備份、均衡）SOx的算法和功率限制對VCU勺通信自身的診斷和少量的記錄絕緣檢測b）可能轉(zhuǎn)移至配電盒轉(zhuǎn)移的功能,高壓測量繼電器控制和診斷電流測量c）可能轉(zhuǎn)移至整車控制器的功能充電控制熱管理控制典型

7、的功能分配可以如下圖4所示。圖4三種模式的功能分配案例第二部分集中式LEAF管理系統(tǒng)案例分析日產(chǎn)的工程師采取了傳統(tǒng)集中式的典型布置，這是技術(shù)演進的結(jié)果 （日產(chǎn)從 上世紀90年代開始陸續(xù)測試試驗車 Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini）,更 像是對原有的HEV電池包進行優(yōu)化。在整個模塊里面，所有的模組都是由 BMS 直接采集并采用傳統(tǒng)的配電盒處理。BM財能：安裝在24個模塊的側(cè)邊，通過6個接插件來連接電池模組內(nèi)部, 電池包配電盒還有車外的連接。電池內(nèi)配電盒：這個配電盒類似于混動配電盒，僅包含主正、主負、預(yù)充繼 電器和預(yù)充電阻。電流傳感器：電流傳感器是獨立安裝的圖5 LEA

8、F內(nèi)部模組連接示意圖電流傳感器：電流傳感器是獨立安裝的圖5 LEAF內(nèi)部模組連接示意圖VMMBMS勺電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，可以看出采集48個模塊的96個通道的單體電 壓，所以整個采樣部分密密麻麻。這樣的設(shè)計，是很難實現(xiàn)較大電流的被動均衡 的算法，事實上，這里也沒有采取很大的電阻做法。催哨LOO TLE42789口 TLP114B1TDK 551 相El EV. COW第二電動STJ EEPROM i *gTL 催哨LOO TLE42789口 TLP114B1TDK 551 相El EV. COW第二電動STJ EEPROM i *gTL 器LTfXTS?3C46 Tracking Rrguhta

9、Rene骨NEC) gXXP CANpPhOF 梵*Trausten tirJn.P34E圖6 LEAF BMS空制器概覽用了松下的繼電器，這塊由于松下長期的技術(shù)演進倒是沒有什么意外的, 里需要注意的是，配電盒有著很強的噪聲抑制的設(shè)計要求。Junction box schematic圖7 2011和2013的配電盒對比總的來看，以LEAF為代表的集中式電池管理系統(tǒng)，在電池系統(tǒng)的使用中有 著很多的應(yīng)用限制。第三部分分布式I3管理系統(tǒng)案例分析典型的分布式架構(gòu)，我們可以拿寶馬的系統(tǒng)來看，這套系統(tǒng)從BMW A123合作Active Hybrid(3 , 5, 7)系列車型就開始用了，后續(xù)在I3和I8的

10、電池系 統(tǒng)的電子系統(tǒng)中沿用。如圖是在2015年上海車展的均勝電子的展臺上拍到的 CSC 和BMU勺實物照片，CSC勺芯片一面被遮住了。CSC功能：模組側(cè)邊安裝，實現(xiàn)了單體電壓采集、電壓備份的功能和溫度采 集。主要的芯片為LT6801和6802G-2,通過Freescale的單片機通過總線傳送BMU功能：這是非對稱結(jié)構(gòu)的 MCU?置，在BMU!面實現(xiàn)了名緣測量、HVIL 的功能。S-Box功能：這里是實現(xiàn)了繼電器、預(yù)充電阻、電流測量等一體化的設(shè)計。圖8分布式架構(gòu)由于CSCT足夠的空間來安置采集芯片、 備份芯片、均衡電阻，所以即使系 統(tǒng)在三防漆處理之后還可以實現(xiàn) 56歐的均衡，散熱這塊的設(shè)計相對簡

11、單一些。CSC勺功能安全設(shè)計也做了精心的考慮，采用 CANJ號的光耦耦合輸出；同 時內(nèi)部采用運放比較器比較 MCUt理過充信號和備份芯片的方式來獨立發(fā)送過 充等功能安全信號。側(cè)邊安裝的方式，使得各種長方和正方的模塊設(shè)計顯得游刃 有余，相比較而言，iMIEV和A3 PHEV勺模組上方的設(shè)計對模組設(shè)計還是有一些 限制的，如圖11所示。圖9 2015年上海車展均勝電子展臺上的 CSC莫坎戢一電劭b圖9 2015年上海車展均勝電子展臺上的 CSC莫坎戢一電劭b電癖理單元一時加的刖AilIIRRIFI圖10車展上的BMU真塊照片圖11模組上方的CSCK入安裝方式總的來看，電池系統(tǒng)模組化的趨勢比較明顯，分

12、布式的CSC奠塊直接安裝在 模組上方，將電池采樣線設(shè)計進一步簡化。第四部分產(chǎn)品設(shè)計中的考慮1）BMS的壽命設(shè)計對應(yīng)的工作時間分析傳統(tǒng)的汽車，其實本質(zhì)上HEV的運行機理和傳統(tǒng)汽車一樣，我們可以將時間 劃分為：a）上車之前的時間：從芯片廠家出來運輸?shù)?PCBA勺組裝廠，成為部件 產(chǎn)品，然后運送至整車企業(yè)組裝廠待上車 b）運行時間，也就是開車的時間和 c） 非運行時間。我們就按照SAEJ1211里面的兩個例子Door Module 8000小時工作時間 79600非工作時間（Sleep模式）和變速箱控制器（6000小時/125400小時=131400 小時）。對于BMSfe說，HEV勺情況下，也是一

13、樣的，工作時間最高不超過 8000 小時就夠了。充電的車輛呢，問題來了，在引擎關(guān)閉的狀態(tài)下，還有個充電狀態(tài)。 現(xiàn)在我們把估計重新調(diào)整一下，如果按照國外的壽命設(shè)計要求，15年的車輛預(yù)期壽命，可以初步估計為8000小時1.46小時每天的開車時間和1095032850 小時26小時每天的充電時間。充電的時候，BMS&B件都得工作啊，這個問題 就變成了，不僅僅是開的里程多用的時間長的人對整個BMSS統(tǒng)的壽命形成重度的影響，充電慢的一樣。那我們換一個角度來看，如果是在中國，一個客戶預(yù)期的壽命是8年，按照 50KMi勺角度，一月需要配置12度電左右，我們再估算一下使用時間的分配。模式2 220V AC&8

14、 A輸入1.7KW電池系統(tǒng)1.5KW充電時間為8小時，模式3 220VAC&16 A輸入3.3KW電池系統(tǒng)3.0KW充電時間為4小時=5840小時2小時每天的 開車時間+116800-23360小時48小時每天的充電時間。2）環(huán)境負荷分析電池管理系統(tǒng)，由于有高壓部分和低壓部分，基本上原有電控單元需要做的 12V的電氣試驗和電氣要求都要有，又由于整個電池系統(tǒng)往底盤和車架上裝的趨 勢很明顯，機械應(yīng)力設(shè)計要求也不低。環(huán)境這塊，同樣是安裝條件的事情，如果 電池包設(shè)計的好一些，可能壓力小一些。a）環(huán)境設(shè)計要求要有防水功能，這不僅包含電池包IP等級由于密封膠老化，也是考慮內(nèi)部 有凝露或者是內(nèi)部冷卻液泄漏造

15、成，電池系統(tǒng)進液體故障。考慮到中國的城市下 水道問題，這個事情要比國外大城市使用更苛刻。要有防鹽霧和濕熱功能，電池系統(tǒng)由于帶鹽分的空氣濕熱交變的凝露，產(chǎn)生腐蝕或者絕緣下降等故障。b）電特性要求：所有的隔離電路部分的抗電強度大于 2000V,絕緣電阻大于10MQ ,爬電距 離滿足IEC要求。EMQ1下表滿足電故障要求，電源反接、防電源短路、防對地短路、防過壓和防引腳短乃厘明 X no.篤程目對應(yīng)國玩蜿裝隼企涼準講埴的1甌=1怎行.由以關(guān)芭8 167544GMW H72Fo/d CETPOD OOE-412 JMC-C5- 20OT r W T$C 781073C 70CHGBMW G$ 95CO

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