動(dòng)力總成電氣化的臨界點(diǎn)——電動(dòng)汽車 （EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV） 和插電式混合動(dòng)力汽車 （PHEV） 即將到來，現(xiàn)代鋰離子電池能夠以更高的功率密度在車輛中存儲(chǔ)和使用能量和更低的成本。根據(jù)汽車芯片制造商恩智浦的一項(xiàng)內(nèi)部研究，到 2030 年，全球銷售的汽車中有 50% 將采用某種形式的電力推進(jìn)。

然而，與此同時(shí)，鋰電池也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)。進(jìn)入電池管理系統(tǒng)（BMS）。

據(jù)媒體報(bào)道，“續(xù)航焦慮”一直是大眾工程師長期以來低估汽車電氣化雄心壯志的關(guān)鍵原因。行業(yè)觀察家稱這是大眾汽車的一個(gè)代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。盡管這家德國汽車制造商聲稱它正在通過大力增加研發(fā)資金來追趕電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

BMS 電子設(shè)備是動(dòng)力總成電氣化的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗O(jiān)控和管理鋰離子電池的狀態(tài)，以確保安全、可靠和最佳的電池運(yùn)行。在汽車設(shè)計(jì)中惡劣且不可預(yù)測的環(huán)境中，BMS 的作用變得尤為重要。

本文將仔細(xì)研究 BMS 的結(jié)構(gòu)，并展示高效且準(zhǔn)確的 BMS 解決方案如何通過采用電池監(jiān)控和均衡技術(shù)來解決與里程相關(guān)的問題。

BMS的解剖

讓我們從電池組開始，這是一組必須仔細(xì)監(jiān)控和平衡的鋰離子電池。數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)電池單元構(gòu)成了產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百伏電壓的電池。電池將直流電壓傳遞給逆變器，逆變器采用交流牽引電機(jī)為電動(dòng)汽車提供加速。

圖 1：電動(dòng)汽車 BMS 視圖。

在這里，在電池方面，BMS 解決方案在車輛電氣化中執(zhí)行三個(gè)主要功能：電池單元監(jiān)控、充電狀態(tài) （SOC） 估計(jì)和電池單元均衡。

以下是 BMS 解決方案的這些關(guān)鍵構(gòu)建模塊的一瞥，這些解決方案采用不同的電池組和動(dòng)力總成配置。

1. 電芯監(jiān)控

部署提供 400V 至 800V 系統(tǒng)的大型電池不可避免地需要準(zhǔn)確監(jiān)測電池電壓。在這里，BMS 解決方案通過實(shí)時(shí)提供電流、電壓、溫度等信息來促進(jìn)電池單元監(jiān)控。這在促進(jìn)電動(dòng)汽車電池的早期故障檢測方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

電池監(jiān)控芯片通常是監(jiān)控一個(gè)或一組電池電壓的微控制器。此外，它通常執(zhí)行電池組的溫度測量，也可能執(zhí)行電池本身的溫度測量。

BMS 電子設(shè)備中通常有兩個(gè)主要子系統(tǒng)。電池監(jiān)控控制器 （CMC） 將電壓和溫度數(shù)據(jù)報(bào)告給電池監(jiān)控控制器 （BMC），后者通過 CAN 總線將數(shù)據(jù)匯總傳遞給電子控制單元 （ECU）。當(dāng)涉及到由 CMC 和 BMC 組件組成的 BMS 架構(gòu)時(shí)，存在分布式和集中式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

BMS 通過密切跟蹤系統(tǒng)性能的下降來準(zhǔn)確監(jiān)控電池單元這一事實(shí)也使其能夠報(bào)告電池組的充電狀態(tài)。這將我們帶到了下一個(gè) BMS 構(gòu)建塊。

圖 2：EV 動(dòng)力總成框圖。圖片：美信集成

2. 充電狀態(tài)

鋰離子電池容易受到電池過度充電和充電不足造成的損壞。而且，充電狀態(tài)或 SOC 是 BMS 中最重要的參數(shù)之一，它代表了單個(gè)電池單元之間的差異。

過電壓或過充電電流會(huì)導(dǎo)致熱失控。此外，即使電池串聯(lián)連接，也不是電池組中的每個(gè)電池都以相同的速率失去電荷。這是因?yàn)殡姵氐某潆娭芷谌Q于幾個(gè)因素，包括電池中電池的溫度和位置。

BMS 電子設(shè)備可準(zhǔn)確預(yù)測車輛續(xù)航里程和電池壽命預(yù)期，實(shí)施預(yù)測算法以準(zhǔn)確估計(jì)電池單體性能。接下來，它確保電池不會(huì)以 100% 的 SOC 充電或以 0% 的 SOC 放電，因?yàn)閮烧叨紩?huì)降低電池容量。

最大化電池組容量和最小化退化的一種方法是準(zhǔn)確控制每個(gè)電池單元的 SOC。因此，BMS 電子設(shè)備可以確保電池單元的電量保持在推薦范圍內(nèi)。這是通過電池平衡完成的。

3. 電芯平衡

電池電壓之間的差異表明系統(tǒng)級(jí)別的電池不平衡，這會(huì)影響單個(gè)電池和電池組。電池故障的主要原因之一是由單個(gè)電池中的漏電流引起的電池電壓不平衡。

BMS 確保電池電壓不超過額定最大電壓，它通過采用被動(dòng)和主動(dòng)平衡技術(shù)來做到這一點(diǎn)。但是，無源平衡設(shè)計(jì)中使用的高阻值電阻器本身會(huì)消耗功率，并且不會(huì)響應(yīng)汽車設(shè)計(jì)環(huán)境中常見的溫度變化。

兩種主要的有源平衡技術(shù)基于運(yùn)算放大器，分別使用 MOSFET 實(shí)現(xiàn)電壓平衡和電流平衡。但是，如果兩個(gè)單元的電容值不匹配，運(yùn)算放大器可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)誓功率損失。

圖 3：這是 MOSFET 自動(dòng)平衡電池之間電流的方式。

另一方面，通過互補(bǔ)的反向電流水平實(shí)現(xiàn)自然電池平衡的 MOSFET 確保 MOSFET 本身幾乎沒有或沒有額外的漏電流。MOSFET 與電池單元或串聯(lián)連接的電池組并聯(lián)。

BMS 價(jià)值鏈

文章表明，如果電池組的充電狀態(tài)得到準(zhǔn)確監(jiān)控，則不會(huì)出現(xiàn)有關(guān)電池單元的問題。但是，如果確實(shí)出現(xiàn)與電池單元過度充電或充電不足有關(guān)的問題，電池單元的自動(dòng)平衡可確保為電動(dòng)汽車中的逆變器提供安全的電壓供應(yīng)。

隨著更多 EV 和 HEV 上路，BMS 電子設(shè)備將繼續(xù)發(fā)展。但它已經(jīng)能夠通過有效地監(jiān)控和管理車輛電池中的電池來滿足當(dāng)前的要求。

審核編輯：郭婷