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BMS技术现状分析(二)

BMS子系统和拓扑

 

电池的物理结构决定实现电池管理系统的架构选择,每一层将在BMS的功能中形成一个子集:

 

在低层是电芯采集单元(CMU),每个CMU连接到一个单独的电芯,或多个并联连接的电芯,并测量电芯电压和温度,并提供均衡功能。

 

中间层是模组管理单元(MMU),分组为多个CMUs,并为高层提供比CMU更上等别的功能。

 

高层是电池包管理(PMU),功能为监控电池包并与应用之间进行通信,通常通过CAN总线通信。

 

这种分类可以分为三种架构拓扑:

 

①集中式:在集中式BMS中,所有三层都组合在一个实体中,BMS直接连接到所有的电芯。由于需要大量的连接,集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于电池包的总电压存在于输入端,这种情况下很难满足隔离要求。

 

②模块化:在模块化的BMS中,多个MMUs(具有自己的CMUs)与单个PMU通信。MMUs靠近电芯,降低了布线的复杂性。MMU通过一个隔离的接口与中央PMU通信,避免了集中式BMS的隔离问题。一种常见的变体是MMU/CMUs被缩减到小的度量和均衡单元(从板),并与中心PMU(主板)通信。

③分布式:在完全分布式的体系结构中,多个PMU控制它们自己的电芯,它们可以相互通信,但彼此独立运行。在极端的情况下,每个电芯都配备了一个微控制器来跟踪SOC,决定均衡、旁路电芯等动作,这种拓扑结构提供了高的灵活性和可伸缩性,但具有很高的复杂性和成本。

 

大多数商业BMS采用模块化拓扑结构,因为它们在复杂性、成本和灵活性之间提供了佳的折衷。

 

高压电池包组成

 

除了BMS的功能外,对BMS的比较和分析还需要对高压(HV)电池组的结构有基本的了解。因此,在本节中,简要介绍了电池组的典型部件,并对它们之间的关系进行了图示。

 

纯电动汽车(BEV)的电池包由电池模块、一个BMS、一个冷却系统、一个电池断开单元(BDU)、外壳以及用于高压和数据连接的接口组成。这些组件的示意图如图3所示,其中BDU称为“开关盒”(有时BDU或开关盒也称为“电池接线盒”)。

 

在图3中,每个电池模块上都有一个BMS从属模块,它执行直接的电池监视并连接到BMS主模块。除了将电池组电压切换到外部的高压接触器外,BDU还包括一个保险丝、一个总电压和总电流传感器、一个预充电电阻和一个等压表。预充电电阻限制涌进电流,等压表检查壳体或车身是否与高压部件充分隔离。BMS还可以通过控制加热器保持其低工作温度,或控制风扇或液体冷却系统使其低于高工作温度,从而主动管理电池组的温度。

 

BMS集成电路

 

BMS使用集成电路(ICs,也称为微芯片)来实现其功能。用于BMSICs可分为提供测量电芯的电压和温度电池传感器ICs,和使用传感器的值以确定电池组的状态和保护电芯免受安全操作区域之外操作单片机ICs

 

有几种集成电路用于测量电池参数(电压、温度和电流),它们在测量精度、功耗、占用空间和成本方面有所不同。

 

电池管理应用的电芯监测集成电路的常见制造商包括:

 

Linear Technology:线性技术的LTC6802LTC6803LTC6804产品线,可以处理多个电芯的化学反应,并测量多达12个电芯的0 - 5V电压。它是专为混合动力汽车牵引包设计的。

 

Intersil: IntersilISL78610ISL78600产品线是专门为汽车应用程序设计的,可以监控多达12个锂离子电池。

 

MaximMaximdMAX14920MAX14921系列可处理3-16个锂离子电池。

 

德州仪器:德州仪器是小型锂离子电池集成电路的实际领导者,如手机和笔记本电脑。

 

Analog DevicesAnalogDevicesAD7280锂离子监测IC类似于Linear Technology的芯片。

 

电池传感器集成电路通常采用所谓的多路复用结构,将每个电池(输入对导线)的电压依次转换成单个模拟或数字输出线路,而不是并行地监视所有的连接单元。这种方法降低了成本,但它的缺点是一次只能监视一个电芯电压,可能会由于采样而丢失重要信息。然后需要一种高速开关机构将输出线切换到每个电芯,以便能够以足够的频率连续监视所有电芯。

 

电池主控制器集成电路

 

电池管理系统中微控制器常用的芯片架构包括:

 

ARM CortexCortex M0Cortex M1Cortex M4是一组用于嵌入式微控制器的处理器核心。Cortex-M4核心可选地包括浮点单元。制造商包括AtmelMicrochipSTMMicroelectronicsNXPTexas Instruments和英飞凌。

 

MIPS 4KMIPS是嵌入式系统的模块化微控制器体系结构,支持可选的协处理器和浮点单元。为MIPS提供了广泛的嵌入式开发工具。例如pic32处理器系列的微芯片。

 

TriCoreTriCore是英飞凌的双核32位微控制器架构,它是专门设计用于汽车和安全关键应用。

 

6800068000是一个32位微处理器架构,初由摩托罗拉开发,制造商包括德州仪器、西门子和NXP

 

BMS计算和软件架构

 

与其他嵌入式控制系统类似,BMS实现通常遵循多层体系结构。这意味着BMS软件功能可以分为不同的层:

 

底层用于设备驱动程序和硬件接口例程。

中间层提供通信协议的实现和物理测量的解释。

上层用于上等电池计算,如充电状态和功率限制计算。

顶层应用程序层负责根据较低层提供的信息进行决策。

 

这种多层方法及其抽象层的严格使用极大地提高了BMS软件代码的可重用性和可维护性。例如,根据SOC决定连接或断开电池的应用程序不需要有关SOC如何计算的信息,实际上,在不同的应用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此,SOC计算算法不需要了解如何处理其输入(温度、电压、电流)的细节。更一般地说,如果维护分层体系结构,则可以修改任何层,从而限制相邻层的结果。

 

大多数BMS软件架构为BMS的不同功能实现了一个多任务环境。这种环境可以是简单的循环任务调度程序,也可以是更复杂的、完全抢占式的多任务操作系统。BMS是安全性优先的系统,以确保任务负责的安全功能,如电压测量和相关的过度充电和过放电保护、温度和电流测量和接触器驱动——及时执行。在一个抢占式的多任务环境中,任务可能被暂时中断,以执行其他任务,然后在稍后恢复,因此至关重要的是,对安全至关重要的BMS任务不会显著延迟。为了确保实时功能,几个BMS实现建立在像FreeRTOS或μC / OS-II实时操作系统(RTOS),切换任务基于优先级,并且可以提供接受并完成特定任务的时间担保。