動力總成電氣化的臨界點——電動汽車 （EV）、混合動力電動汽車 （HEV） 和插電式混合動力汽車 （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，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代價高昂的錯誤。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)資金來追趕電動驅(qū)動技術(shù)。

BMS 電子設(shè)備是動力總成電氣化的關(guān)鍵部分，因為它監(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行。在汽車設(shè)計中惡劣且不可預(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)為電動汽車提供加速。

圖 1：電動汽車 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)行三個主要功能：電池單元監(jiān)控、充電狀態(tài) （SOC） 估計和電池單元均衡。

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 解決方案通過實時提供電流、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，存在分布式和集中式系統(tǒng)設(shè)計。

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也使其能夠報告電池組的充電狀態(tài)。這將我們帶到了下一個 BMS 構(gòu)建塊。

圖 2：EV 動力總成框圖。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，它代表了單個電池單元之間的差異。

過電壓或過充電電流會導(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電池都以相同的速率失去電荷。這是因為電池的充電周期取決于幾個因素，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，實施預(yù)測算法以準(zhǔn)確估計電池單體性能。接下來，它確保電池不會以 100% 的 SOC 充電或以 0% 的 SOC 放電，因為兩者都會降低電池容量。

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)級別的電池不平衡，這會影響單個電池和電池組。電池故障的主要原因之一是由單個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，它通過采用被動和主動平衡技術(shù)來做到這一點。但是，無源平衡設(shè)計中使用的高阻值電阻器本身會消耗功率，并且不會響應(yīng)汽車設(shè)計環(huán)境中常見的溫度變化。

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

圖 3：這是 MOSFET 自動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，則不會出現(xiàn)有關(guān)電池單元的問題。但是，如果確實出現(xiàn)與電池單元過度充電或充電不足有關(guān)的問題，電池單元的自動平衡可確保為電動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