電動客車電池管理系統(tǒng)技術(shù)探析

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摘要:BMS是動力電池控制中樞。文章對電動客車BMS展開研究，介紹電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)估算、電池系統(tǒng)控制三項(xiàng)主要功能。

關(guān)鍵詞:電動客車;電池管理系統(tǒng);功能

電動客車中電池管理系統(tǒng)(BMS)對動力電池性能提升起關(guān)鍵作用。BMS主要功能:采集電池單體溫度、單體電壓，對單體電壓進(jìn)行均衡控制，對電池單體進(jìn)行過壓、欠壓、過溫保護(hù);采集電池系統(tǒng)總電流、總電壓，計算絕緣阻值、判斷電池系統(tǒng)繼電器粘黏狀態(tài);估算SOX狀態(tài);實(shí)時對電池系統(tǒng)進(jìn)行主動保護(hù)及充放電控制;傳遞電池信息至整車控制單元、顯示單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元進(jìn)行顯示及后臺數(shù)據(jù)處理。

1電池數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)估算

電動客車BMS需要采集的電池數(shù)據(jù)有:電池單體溫度/電壓、電池系統(tǒng)電流、電池總壓及繼電器后端電壓，從而計算電池系統(tǒng)絕緣阻值，并估算電池SOC和SOH狀態(tài)參數(shù)。

1.1電池單體電壓及溫度采集

電池單體電壓與溫度采集存在兩種方式:集成式芯片采集和模擬電路采集。1.1.1集成式芯片采集現(xiàn)使用的主流采集芯片有LTC68XX系列和NXP33771X系列，國內(nèi)BMS使用最多的為LTC6811，其主要特點(diǎn)有:采集路數(shù)多，一塊芯片可測量多達(dá)12串電池單體電壓、4個溫度值;測量時間短，290μs可完成所有電池單體測量;16位AD轉(zhuǎn)換模塊;涵蓋GB/T34590.2—2017《道路車輛功能安全第二部分:功能安全管理》［1］安全性要求設(shè)計。出于成本考慮，現(xiàn)BMS多數(shù)做成單體24串、36串、48串或60串集成式從控板，不同串的從控板之間直接連接采用SPI通信，從控板與主控板之間通過CAN通信。但集成式從控板靈活性差，多數(shù)適用于電池單體串?dāng)?shù)小于60串的標(biāo)準(zhǔn)箱，不適用于單體串?dāng)?shù)更多的非標(biāo)準(zhǔn)電池箱。從靈活性考慮，部分BMS直接以采集芯片為單元設(shè)計成小體積的從控板，該方案從控板外圍電路元器件少，通常電路板體積非常小，常用于直接采集一個模組(模組中的電芯通常先并后串)中的單體信息，從控板與從控板、從控板與主控板之間采用SPI通信。在多串?dāng)?shù)單體的非標(biāo)準(zhǔn)電池箱，可采用一個模組配置一塊從控板方案，具有單元化強(qiáng)、箱內(nèi)線束少等優(yōu)點(diǎn)。但該方案從控板數(shù)量多，成本相對較高，且SPI通信穩(wěn)定性較CAN通信差，易受干擾，存在丟幀現(xiàn)象。1.1.2模擬電路采集從降本角度考慮，有BMS采用多通道模擬電路進(jìn)行電池單體信息采集。以一路差分電路為主體，通過多路選擇開關(guān)分時采集每個單體信息［2－4］。該方案與使用集成式芯片采集相比，成本較低，但有采集時間長、溫度采集電路與低壓電路未隔離設(shè)計等缺陷。目前標(biāo)準(zhǔn)的電池箱單模組多數(shù)采用柔性電路板(FPC)替代采樣線束采集單體電池信息。溫度采集電路與低壓電路未隔離則會造成電池系統(tǒng)耐壓測試時，F(xiàn)PC管腳之間將承受耐壓測試電壓的沖擊，易導(dǎo)致FPC插頭部位耐壓擊穿。

1.2電池系統(tǒng)電流采集

BMS中SOC的估算通常采用安時積分法。電流傳感器采集誤差是直接影響安時積分法估算SOC精度的關(guān)鍵因素，因此準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流采集至關(guān)重要。現(xiàn)電池系統(tǒng)電流采集主要有霍爾電流傳感器與分流器兩種方式。其中霍爾傳感器又分?jǐn)?shù)字信號與模擬信號兩種電流傳感器。數(shù)字信號電流傳感器通過CAN報文傳送電流值，精度高、誤差小、成本高。模擬信號電流傳感器通過電流或電壓量傳送電流值，精度較高、誤差中等、成本中等。分流器通過電流流經(jīng)電阻的電壓量換算出實(shí)際電流值大小，精度低、誤差大、成本低，因此多數(shù)電動客車不使用分流器采集電池系統(tǒng)電流。

1.3電池總電壓測量及絕緣電阻計算

電動客車電池總電壓測量及絕緣電阻計算主要分不平衡電橋法與信號注入法。1.3.1不平衡電橋法不平衡電橋法在整車高壓系統(tǒng)與整車接地之間并聯(lián)一個已知的電阻，通過等效電路的電壓來計算出整車等效絕緣電阻。文獻(xiàn)［5］中定義REESS(可充電的且可提供電能儲能系統(tǒng))高壓總正與總負(fù)對電平臺有不同的絕緣電阻Rp和Rn，如圖1所示。從安全角度考慮，取REESS阻值Rp和Rn中較小的一個為絕緣電阻［5］。文獻(xiàn)［5］針對絕緣電阻設(shè)計了不平衡電橋測試法［6－7］，其絕緣電路如圖1中虛線部分，其中R0、R1為固定電阻;S1、S2為開關(guān)部件。Rp和Rn為電池系統(tǒng)高壓總正和總負(fù)與整車接地之間的等效絕緣阻值，E為電池總壓。1)開關(guān)S1、S2同時閉合，得到電壓Up1和Un1:通過上述得到Up1、Un1、Up2和Un2的實(shí)際測量值，代入公式(1)～(4)后，可計算求出Rp和Rn，取其中較小值作為電池系統(tǒng)的絕緣阻值。1.3.2信號注入法信號注入法絕緣檢測儀為傳遞函數(shù)［8－9］，絕緣檢測儀自身電壓源為激勵信號，激勵信號經(jīng)過絕緣檢測電路求得響應(yīng)信號，響應(yīng)信號通過轉(zhuǎn)換求出被測對象R(絕緣電阻)。當(dāng)被測對象R變化時響應(yīng)信號也會隨之變化，兩者呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，從而不斷求出實(shí)時絕緣電阻R。其原理示意圖如圖2所示。

1.4繼電器后端電壓及粘黏檢測

文獻(xiàn)［10］要求充電時必須對電池系統(tǒng)充電繼電器進(jìn)行粘黏檢測。BMS對繼電器粘黏檢測通常采用電壓比較法，即采集電池系統(tǒng)總壓、繼電器后端電壓進(jìn)行比較。在每次需閉合繼電器前，判斷繼電器后端電壓是否大于90%電池系統(tǒng)總壓，若大于則判定繼電器為粘黏，并上報粘黏故障;若不粘黏，則按正常邏輯閉合繼電器。

1.5電池系統(tǒng)狀態(tài)估算

1.5.1電池。SOC估算電池SOC計算公式:SOC=Cr/Ct×100%(5)式中:Cr為電池系統(tǒng)剩余容量;Ct為電池系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下可用總?cè)萘俊，F(xiàn)BMS仍主要采用開路電壓法和安時積分法［11－13］進(jìn)行SOC估算。開路電壓法確定SOC初值，安時積分法進(jìn)行容量累加。為提高SOC估算精度，通常考慮電池環(huán)境溫度、循環(huán)次數(shù)對電池可用總?cè)萘康挠绊?，根?jù)電芯原始數(shù)據(jù)實(shí)時修正電池系統(tǒng)可用總?cè)萘浚蕴岣唠姵叵到y(tǒng)SOC估算精度。1.5.2電池。SOH估算電池健康狀態(tài)(SOH)指某些直接可測或間接計算得到的性能參數(shù)的當(dāng)前值Nn與初始值Ni的比值，用來衡量電池的健康程度。性能參數(shù)包括循環(huán)次數(shù)、放電容量、放電能量、峰值功率、直流內(nèi)阻等，計算公式如下:SOH=Nn/Ni×100%(6)

2電池系統(tǒng)控制

2.1均衡控制

隨著電池系統(tǒng)的使用，其電芯的一致性差異愈發(fā)明顯，致使電池系統(tǒng)出現(xiàn)短板效應(yīng)，容量最低的電芯導(dǎo)致整個電池系統(tǒng)充不滿、放不空。若某一電芯一致性差異持續(xù)增大，將使其他電芯的一致性差異一同增大，最終導(dǎo)致整個電池系統(tǒng)容量快速衰減［14］。因此，通過電芯均衡控制減小電芯一致性差異至關(guān)重要?，F(xiàn)均衡控制方法主要有被動式均衡和主動式均衡。1)被動式均衡。被動均衡就是對模組中電壓很高的電芯進(jìn)行放電，使其與其他電芯電壓盡量保持一致。通過從控板對每個電芯并聯(lián)一個電阻、一個開關(guān)器件構(gòu)成均衡回路，由開關(guān)器件周期性通斷對需均衡的電芯進(jìn)行放電，從而減小最高單體電壓與最低單體電壓的差距。均衡策略:在前一個周期內(nèi)由主控板計算出需要均衡的電芯，下發(fā)均衡開啟指令至從控板，從控板收到指令后在下一個周期中的均衡時間對電芯開啟均衡，均衡完畢后繼續(xù)采樣，若未到達(dá)均衡關(guān)閉條件，主控板將持續(xù)對需均衡電芯發(fā)送均衡開啟指令，直至滿足均衡關(guān)閉條件。目前，被動均衡的水平通?？蛇_(dá)到同時開啟一個從控板1/4至1/2采集電芯均衡路數(shù)，均衡能力只有100mA左右。若在電池系統(tǒng)的放電與充電過程均開啟被動均衡，可減小電芯一致性差異的效果。被動均衡因均衡電路簡單、均衡器件成本低，通常其從控板成本為同串?dāng)?shù)主動均衡從控板成本的1/2。2)主動式均衡。其電路由電容、電感、開關(guān)器件構(gòu)成。通過控制開關(guān)器件周期性將電壓高的電芯能量轉(zhuǎn)移至電壓低的電芯，均衡能力可達(dá)500mA～2A。主動式均衡從控板可同時開啟的均衡路數(shù)通常為其電芯采集路數(shù)的1/4。由于主動均衡成本高，在電動客車電池系統(tǒng)中常不被采用。

2.2充電控制

為實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)高效率充電，充電過程通常采用三段式充電方式:先恒流后恒壓再涓流。在恒流階段，BMS會根據(jù)電池系統(tǒng)在不同溫度與不同SOC下的充電接受能力調(diào)整充電電流大小。電池電壓上升至某一值后，電池系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電方式，通常恒壓充電時間非常短。恒壓充電階段，充電電流會逐漸下降，當(dāng)下降至某一特定值時，電池系統(tǒng)進(jìn)入涓流充電方式。涓流充電一段時間，電池系統(tǒng)單體電壓達(dá)到某一特定值，充電全過程結(jié)束。

2.3電池系統(tǒng)安全控制

BMS采用在線故障檢測、遠(yuǎn)程故障預(yù)警、24h監(jiān)控方式進(jìn)行電池安全控制。1)在線故障告警項(xiàng)目通常有:單體過壓/欠壓/過溫/低溫，總壓過壓/欠壓，電流過流，SOC過低，系統(tǒng)絕緣，通信故障，火災(zāi)報警，散熱系統(tǒng)故障等。常將電池故障分等級處理，一般分成三級:一級輕微，提示性故障或限功率處理;二級中等，進(jìn)一步限功率處理;三級嚴(yán)重，主動切斷對應(yīng)繼電器，禁止使用電池。2)遠(yuǎn)程故障預(yù)警主要有兩方面功能:①及時推送電池系統(tǒng)實(shí)時故障;②利用后臺大數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)測電池故障趨勢，提前預(yù)判電池故障，以便利用電池閑置時間進(jìn)行電池維護(hù)。3)24h監(jiān)控。采用電池系統(tǒng)配置的DC/DC模塊，將動力電池高壓電轉(zhuǎn)換為24V低壓電供BMS工作，實(shí)時采集電池系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)24h監(jiān)控功能。24h監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式為電源DC/DC模塊自帶時鐘電路，在車輛運(yùn)行時或充電結(jié)束下電時，由BMS下發(fā)周期性DC/DC喚醒時間，DC/DC收到喚醒時間后自動計時到第一次喚醒時間，DC/DC模塊以固定時間工作向BMS輸出24V低壓電，后續(xù)若車輛未進(jìn)入運(yùn)行或充電狀態(tài)，則DC/DC模塊繼續(xù)計時，DC/DC模塊將以周期性時間進(jìn)行喚醒向BMS輸出低壓電，供BMS監(jiān)控電池系統(tǒng)信息。若車輛進(jìn)入運(yùn)行或充電狀態(tài)，則DC/DC模塊停止計時，退出24h監(jiān)控模式。

3結(jié)束語

電動客車的動力電池系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)安全、無故障、高效率的使用，其中BMS起著核心控制作用。文章介紹了電動客車BMS的構(gòu)成，闡述了其主要功能。

作者:尹志剛 龍宇舟 彭再武 劉文哲 單位:長沙中車智馭新能源科技有限公司 中車時代電動汽車股份有限公司