電池管理系統(tǒng)的組成及工作原理

　　電池管理系統(tǒng)

　　電池管理系統(tǒng)（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM），電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，其主要功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測；電池狀態(tài)估計(jì)；在線診斷與預(yù)警；充、放電與預(yù)充控制；均衡管理和熱管理等。

　　二次電池存在下面的一些缺點(diǎn)，如存儲能量少、壽命短、串并聯(lián)使用問題、使用安全性、電池電量估算困難等。電池的性能是很復(fù)雜的，不同類型的電池特性亦相差很大。 電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。隨著電池管理系統(tǒng)的發(fā)展，也會增添其它的功能。

　　電池管理系統(tǒng)構(gòu)成及原理：

　　電池管理系統(tǒng)（BMS），即BatteryManagementSystem，通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　典型電池管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)主要分為主控模塊和從控模塊兩大塊。具體來說，由中央處理單元（主控模塊）、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊、顯示單元模塊、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等構(gòu)成。一般通過采用內(nèi)部CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊之間的數(shù)據(jù)信息通訊。

　　基于各個模塊的功能，BMS能實(shí)時(shí)檢測動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對動力電池進(jìn)行熱管理、均衡管理、高壓及絕緣檢測等，并且能夠計(jì)算動力電池剩余容量、充放電功率以及SOC&SOH狀態(tài)。

　　怎樣構(gòu)成電池管理系統(tǒng)

　　為一個新的和基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)視器電路，那么你會采取什么策略來優(yōu)化該設(shè)計(jì)的成本和可制造性呢？ 最初考慮的問題將是確定系統(tǒng)的首選結(jié)構(gòu)以及電池和有關(guān)電子組件的位置。基本結(jié)構(gòu)清楚以后，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓?fù)涞臋?quán)衡協(xié)調(diào)問題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。

　　電池的外形尺寸將對電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復(fù)雜的電池模塊 （或電池組） 嗎？ 或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導(dǎo)致對電池?cái)?shù)量的限制或引起其他的尺寸限制？這也許是設(shè)計(jì)變數(shù)最大的部分，因?yàn)橥庑涡路f的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會與整個產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車設(shè)計(jì)情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。

　　另一個考慮因素是，電池 （或模塊化電池組）、電池管理系統(tǒng) （或其子系統(tǒng)） 以及最終應(yīng)用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數(shù)情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數(shù)據(jù)采集電路，以便如果需要調(diào)換，那么生產(chǎn) ID、校準(zhǔn)、使用規(guī)格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統(tǒng) （BMS） 或維修設(shè)備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導(dǎo)線的數(shù)量。

　?。╝）集中式架構(gòu) （b）分布式架構(gòu)

　　圖 1：不同的電池監(jiān)視拓?fù)?/p>

　　接下來，就給定的機(jī)械概念設(shè)計(jì)而言，監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的、所需支持的電池?cái)?shù)量決定。在汽車應(yīng)用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點(diǎn)，而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個給定的電路系統(tǒng)測量多少個電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個子組。

　　通過在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險(xiǎn)。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 （a） 所示?；蛘?，電子組件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)置于汽車線束中的遠(yuǎn)端測量功能電路必須采用一種堅(jiān)固型協(xié)議，例如廣泛使用的 CAN 總線。

　　盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網(wǎng)絡(luò)層，但是可以很方便地采用 PHY 層構(gòu)成 BMS LAN 結(jié)構(gòu)，以高效率地進(jìn)行模塊內(nèi)的通信。這類分布式結(jié)構(gòu)如圖 1 （b） 所示。該拓?fù)湓试S在幾個小型處理器之間分配計(jì)算工作量，從而降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應(yīng)用接口很可能是至一個主系統(tǒng)管理處理器的 CAN 總線接線，而且將需要定義 （或在一開始規(guī)定） 特定的信息事務(wù)處理。

　　其他因素也可能對物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導(dǎo)致了額外的熱量管理問題 （去除熱量），而且如果需要有源平衡，還需要電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上，以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計(jì)時(shí)一個常常忽視的考慮因素是，當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應(yīng)該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。

　　在上面實(shí)現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中，都有一個常見的測量功能構(gòu)件，該構(gòu)件包括一個多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖 2 電路顯示了一個實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)平臺。在這個圖中，實(shí)現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監(jiān)視器 IC，同時(shí)顯示的還有一個 SPI 數(shù)據(jù)隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能，構(gòu)成了一個完整的 12 節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)采集解決方案。如果需要，這類電路可以簡單地復(fù)制，以支持更多電池測量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數(shù)據(jù)鏈路所需。

　　與前一代監(jiān)視器件相比，LTC6803 的主要改進(jìn)是，支持電源停機(jī)和/或單獨(dú)由電池組供電。當(dāng)電源從 V+ 引腳去掉時(shí)，電池加載將降至零 （僅有 nA 級半導(dǎo)體泄漏）。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個單獨(dú)的電源提供給 V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實(shí)現(xiàn)簡單性，LTC6803 還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態(tài) （即備用） 將僅消耗 12uA 電流。LTM2883 數(shù)據(jù)隔離器通過一個內(nèi)部隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，從主處理器供電，因此該器件將自動與主處理器一起斷電。LTM2883 的一個非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件 （即電池端） 提供很大和得自主機(jī)的功率。一個小型升壓電源功能組件 （圖 2 中的 LT3495-1） 就是這樣驅(qū)動的，以獨(dú)立地給 LTC6803 供電，以便電池僅提供 ADC 測量輸入電流 （即在有效轉(zhuǎn)換時(shí)平均值 《200nA）。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏，同時(shí)消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導(dǎo)致電池容量失衡。

　　LTC6803 的一個方便的功能是，有兩個自由的、準(zhǔn)確度與電池輸入類似的 ADC 輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進(jìn)行輔助測量，包括溫度、校準(zhǔn)信號或負(fù)載電流測量。一種尤其有用的測量是，用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓，實(shí)現(xiàn)方法如圖 2 所示 （采用 12:1 的比例，連接到 VTEMP1 輸入）。當(dāng)電路斷電時(shí)，相關(guān)的 FET 斷開，這樣對電流的測量就不會不必要地加重電池的負(fù)擔(dān)。既然該端口的濾波可以獨(dú)立于電池輸入來定制，那么為了實(shí)現(xiàn)精確的充電電流計(jì)算所需的、真正高達(dá) 200sps 的奈奎斯特 （Nyquist） 采樣率是可能的?？梢岳脤蝹€電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn)，這樣就不需要價(jià)格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個非常有用的用法是，測量準(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源 （諸如凌力爾特的 LT6655-3.3，一個準(zhǔn)確度為 0.025% 的基準(zhǔn)），在這種用法中，允許軟件憑借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準(zhǔn)，這些探頭一般也不需要 12 位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接，從而留出高性能 LTC6803 的輔助輸入，以實(shí)現(xiàn)要求更加苛刻的功能。

　　圖 2：完整的 12 節(jié)電池隔離型 BMS 測量功能

　　總之，在電池管理系統(tǒng)電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當(dāng)封裝設(shè)計(jì)思想?yún)R聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機(jī)械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu) （例如：連接器化和導(dǎo)線數(shù)目） 同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過這些因素而且封裝設(shè)計(jì)思想成熟之后，只需直接插入一款采用 LTC6803 平臺，一個聲名卓著、可擴(kuò)展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了。