如前面一篇文章所言（參見《解析動力電池BMS控制策略的開發和測試》），在政府要強制實行油耗和新能源汽車積分并行管理的大背景下，大量車企都推出了新能源汽車開發上市計劃，并且要持續上量。為了滿足這一系列的計劃，在PHEV(含EREV)、EV這幾個領域里面，汽車企業需要用不同的新能源車輛組合去合乎政策規范、順應市場需求并迎合消費者，這就需要對車型的核心指標(續航里程、百公里加速和充電速度)進行一些動態的配置和管理，并能夠應對未來可能的電池供應商的轉換。在這個過程里面，我們細致地來談一談做電池管理系統的價值，還有如何去做電池管理系統。
第一部分 模組化供應
簡單而言，隨著電動汽車行業的發展，我國也可能與德國VDA一樣，推出汽車用鋰電池標準，電池單體和模組的標準化勢在必行。通過對電池單體的串聯、并聯或串并聯混合的方式，確保電池模塊統一尺寸，并綜合考慮電池本體的機械特性、熱特性以及安全特性。在安裝設計不變的情況下，根據不同的續航里程和動力要求，提供不同電池容量，以滿足不同的需求。這種模塊化應用，在單體、模組端都可實現大規模自動化生產，大幅降低生產成本，這就使得整個電池企業的供應都以模組為最小單元。
模組化供應改變了原來的電池企業的構建方式，原來供應電池單體，車企需要從單體開始構建，整個BMS的拓撲結構都要根據電池大小來權衡選擇，而在供應模組條件下，基本單元就變成了模組小總成。
在這個過程中，下一步的集成電池模塊，則比傳統電動汽車模塊容納更大容量電池組。以往電池模塊一般由 12 個容量為 2-3kWh 電池組組成，現在開始往能容納 24 個單體的 6-8kWh 電池組轉向。這將在同樣的電池空間內，提高電池容量，有效增加電動汽車續航。
圖1 PHEV和EV 模組
軟包的基本情況也是類似的，也開始往這個方向發展。
圖2 軟包的模組
如圖3所示，模組里面都是內嵌了LECU的功能，基本把模組溫度采集和單體電壓采集和電壓保護給做掉了。
單體電壓測量和電壓監控：單體的電壓的采集和保護，這個功能是下放到底層的。這里分為：
采集單體電壓：精度會影響單體差異性的比較
過壓和欠壓的判別：這里也是在底下可以完成的邏輯功能
校驗：通過單體累加和模組電壓的判別，實現對整個功能的診斷處理
電池溫度：現在通常在一個模組內放置2-4個溫度點來采集母線焊接溫度、模組內電池溫度差異
通信和信號：把溫度、電壓信息傳送出去，還有把基本的單體過壓欠壓發送出去
均衡的實際控制：主要包含實際的電路
圖3 LECU及其基本功能
第二部分 電池管理功能
如前所述，由于供應模式的改變，電池管理功能也就需要匹配整個電池系統，底層的基本部件變成了模組。這里汽車企業面臨的課題是：
整車動力系統的需求差異：根據不同車輛的實際構型的需求，對電池的放電能力和功率特性有不同的要求
充電特性：根據使用的實際情況，可以對充電的特殊需要做定制
區域使用特性：根據車輛使用區域環境的不同，甚至需要對不同的熱管理特性進行配置
模組的差異，可能根據整車的需求不同，需要對單體的化學體系進行切換
圖4 高壓系統架構
這樣一來，整車企業對BMS的掌控需求就很明顯了：
圖5 電池管理系統內核
這里就區分成“可變部分”和“不可變部分”,其中共性的部分有：
1)電池參數檢測：包括總電壓、總電流、絕緣檢測(監測漏電)、碰撞檢測等。
總電壓測量：在后續計算SOC的時候，往往會用電池組的總電壓來核算，這是計算電池包參數重要參量之一；如果由單體電壓累加計量而成本身電池單體電壓采樣有一定的時間差異性，也沒辦法與電池傳感器的數據實現精確對齊，因此往往采集電池包電壓來作為主參數來進行運算。在診斷繼電器的時候，需要電池包內外電壓一起比較。
總電流測量：電流測量手段主要分兩種智能分流器或霍爾電流傳感器。由于電池系統需要處理的電流數值往往瞬時很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時候的充電電流，因此評估測量電池包的輸出電流(放電)和輸入電流(充電)的需要一定的量程和精度。
絕緣電阻檢測：需要對整個電池系統和高壓系統進行絕緣檢測，比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負極對地線的絕緣電阻。也可以采用主動信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統的絕緣電阻。
高壓互鎖檢測(HVIL)：用來確認整個高壓系統(可以分為放電回路和充電回路兩個部分)的完整性，當高壓系統回路斷開或者完整性受到破壞的時候，就需要啟動安全措施了。
SOC和SOH估計: 包括荷電狀態(SOC)或放電深度 (DOD)、健康狀態(SOH)、功能狀態(SOF)、能量狀態(SOE)、故障及安全狀態(SOS)等
2)故障診斷和容錯運行
故障檢測是指通過分析采集到的傳感器信號，采用診斷算法來診斷故障類型，并進行早期預警。電池故障是指電池組、高壓電回路、熱管理等各個子系統的傳感器故障、執行器故障(如接觸器、風扇、泵、加熱器等)，以及網絡故障、各種控制器軟硬件故障等。電池組本身故障是指過壓(過充)、欠壓(過放)、過電流、超高溫、內短路故障、接頭松動、電解液泄漏、絕緣降低等。
電池管理單元的故障會也需要以故障碼(DTC)來進行報警，通過DTC觸發儀表盤當中的指示燈，在新能源汽車中電池故障也有相應的指示燈來提醒駕駛員。由于電池存在一定的危險性，往往需要車聯系統直接進行信息傳送，以應對突然出現的事故。比如當發生事故的時候，當安全氣囊彈出，繼電器由整車控制器直接切斷以后，車聯系統通過定位和預警來處理，特別是電池放電。故障診斷包括對電池單體電壓、電池包電壓、電流、電池包溫度測量電路的故障進行診斷，確定故障位置和故障級別，并做出相應的容錯控制。
Fail-Safe的容錯運行機制，是指車輛在運行過程中遇到錯誤之后，車輛進行的降級運行處理。事實上，這個功能更像是對以上所有功能降級和備份。這一機制包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等。
3)繼電器控制
控制電池包內一般有多繼電器系統，完成對繼電器的驅動供給和狀態檢測，繼電器控制往往是和整車控制器協調后確認控制器，而安全氣囊控制器輸出的碰撞信號一般與繼電器控制器斷開直接掛鉤。電池包內繼電器一般有主正、主負、預充繼電器和充電繼電器，在電池包外還有獨立的配電盒對整個電流分配做個更細致的保護。對電池包的繼電器控制，閉合、斷開的狀態以及開關的順序都很重要。
可變的部分:
1)熱管理：
需要檢測電池包熱管理系統的溫度參量(流體入口和出口的溫度)，檢測電路與單體檢測類似。根據電池組內溫度分布信息及充放電需求，決定主動加熱/散熱的強度，使得電池盡可能工作在最適合的溫度，充分發揮電池的性能。
熱控制：電池的化學性能受環境的溫度影響非常大，為了保證電池的使用壽命必須讓電池工作在合理的溫度范圍之內，并根據不同的溫度給整車控制器得出其所能輸出和輸入的最大功率。對于電池系統的溫度控制主要用到CFD仿真分析，這里核心的就是選擇不同的熱管理的外部方式，然后通過內部的管理策略保證溫度的閾值可用。
圖6 液冷和風冷共用一套基礎的BMU系統
2)充電控制
原來的電池管理系統的一種主要模式是監控電池系統在充電過程中的需求，負責整個電池系統的電流輸入，包含常規充電和能量回收的管控。現在可變的部分是面向快充的設計，由于消費者的需求和實際的情況，這個地方也是處在挺高的變化區域。
3)均衡管理：串聯的電池包在實際使用過程中，每個串聯的輸出容量是不一樣的。而電池，不僅有過放電和過充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，輸入和輸出的功率也存在限制。也就是說，單個電池的限制，就會影響到整個電池。
電池包內各個單體電池之間的個體差異：單體容量差異、單體內阻差異、單體自放電差異、工作時候電流差異和休眠時候電流差異
電池包內隨著時間的變化，電池的單體容量、單體內阻、單體自放電都會產生差異
客戶使用：充電時間、放電時間
外部環境：同溫度下的自放電、不同SOC下的自放電
系統相互影響：BMS的工作狀況，這個因素和BMS的工作狀態有關系。
實際電池容量出現較大變化的時候，使得均衡能力定死的情況下，BMU上端需要給出不同的策略。
所以，未來可能的變化是，電池管理系統形成下端和上端的分離，為了大量上項目，節約管理和變更管理，汽車廠內需要形成甲方中的乙方，專門做系統軟件的那部分，來負責整個電池系統管理的核心算法和配置過程，他們負責設置電池的保護和使用閾值，對整個車輛的可用性和售后負責。整個BMS管理的硬件，倒是和車企也沒有關系，這里需要非常好的軟硬件接口文件，否則極易出錯。我們未來掌控的事也挺有限的。
編者按：為凝聚新能源汽車行業的研究力量，發揮協作效應，第一電動網建立特約研究員機制，邀請行業知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術、市場等領域，并定期推出【研究周報】，解析行業熱點問題。
作者：朱玉龍
來源：第一電動網
