新一代高性能车载BMS主控模块的研发背景与介绍.docx

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新一代高性能车载BMS主控模块的研发背景与介绍

新一代高性能车载BMS主控模块的研发背景与介绍随着动力电池企业扩产速度的加快以及新能源汽车保有量的迅速增加,动力电池管理系统(BMS)的重要性日益突出。由于具有电池监控、荷电状态(SOC)评估和电压均衡三大功能,BMS在保障动力电池安全和提高电池寿命两方面具有无法替代的核心地位,受益于下游新能源汽车的旺盛需求,BMS的市场规模随之加速扩大,保守估计到2020年市场规模将超百亿元。1 BMS的组成和工作原理BMS之于动力电池最核心的三大功能为电芯监控、SOC估算以及单体电池均衡,通过合理设计并配置BMS,不仅可以显著提高动力电池的安全性能,还可以有效提高电池的使用寿命。业内普遍认为,通过合理配置BMS,可以有效提升电池使用寿命20%以上。图1 BMS组成结构图BMS一般分为主控模块(一级模块)和从控模块(二级模块)两部分,从控模块主要负责电池电压、温度、电流等监测数据的采集以及均衡控制,主控模块主要负责SOC估算、继电器驱动以及电气伤害保护。主控模块与从控模块通过高可靠的数据传输通道进行指令与数据的双向传输。一套BMS由一个主控模块和若干个从控模块组成,从控模块的使用数量与电池单体的个数正相关,一般纯电动乘用车需要从控模块4个左右,纯电动客车需要8~10个从控模块不等。电池单体电压监测的目的主要在于通过压差判断电池的差异性以及检测单体的运行状态,此外还可以通过简单累加得到电池组的总电压。除此以外,电池组的总电压仍需要单独测试以备继电器的诊断。电池组电压的测试结果对于电池SOC的估算具有重要意义,是计算电池组各参数的重要参量。温度的测量对于电池组工作状态的评估意义不言而喻,其中包含单体电池的温度测量和电池组总线结点温度监测。前者需要精确设计好温度传感器的放置位置以及使用个数,其要与BMS控制模块形成良好的协调,此外,不同温度区间对于BMS模块的精度要求也有不同,一般涉及到分级管理的概念。在-40~-10℃时,监测精度无须太高,原因在于电池系统本身需要加热;而温度在-10~10℃以及临近40℃的高温临界点时,温度对于电池性能具有重大影响,该温度区域需要重点监控,监测精度相应需要提高。电池组整体温度的监控重点在于入口和出口处的结点温度,其监测精度的选择与单体电池类似。单体电芯SOC估算是BMS中的重点和难点,是其他多项功能的核心基础信息来源,解决了SOC问题,其他功能才可以通过集成现有的传感器、自动化设备以及计算芯片和软件来实现。目前最常采用的估算方法是安时积分法和开路电压标定法。通过建立电池模型和大量数据的采集,将实际数据与计算数据进行比较,是目前的主流做法。一个由不同单体电池串联组成的电池组,在工作过程中,由于单体电池容量输入总不会一样,不可避免的会存在不均衡的现象。由于电池在工作过程中不仅有过放电和过充电的限制,而且在不同温度和不同SOC下,输入和输出的功率也存在限制,因而在电池组的工作过程中,部分单体电池会由于工作在超限范围而对自身性能产生损害,这种损害随着循环过程的进行不断积累,最终导致电池寿命的减少和安全问题的发生。电池均衡技术的实质就是通过人为干预的方法(采用有源或者无源电子线路)使电池组内的所有电池综合能量趋于一致。常见的均衡技术分为有损无源和无损有源两种,即我们常说的被动均衡和主动均衡。采用主动均衡技术时单体电池一般外加DC/DC电路,利用能量补充或者能量转移的方式实现电池均衡的目的,在充电及放电过程中实现均衡;被动均衡是通过外接电阻将能量较高的电池消耗至设定值。主动均衡对电压采集精度要求较高,电路结构也较复杂。被动均衡虽然结构简单,但其只能在电池充电时实现均衡的效果,能量利用率较低。相比而言,由于主动均衡技术能量利用率较高,充放电时都可以达到电池均衡的效果,因而是未来的发展方向。SOC估算算法、绝缘电阻测量算法以充放电保护策略和均衡策略的实现主要取决于主控模块的硬件资源和软件思想,因此可以说主控模块是BMS的决策中枢和关键组成部分。2 客户对主控模块的特殊需求BMS作为一个细分领域发展不过短短五六年的时间,其发展源于动力电池成组时对电池一致性和工作状态的管理要求。消费电子类时代,电池容量小且数量少,彼时尚无BMS的概念;进入电动自行车时代,对于电池的监控有一定要求,BMS的雏形开始显现;直到电动汽车在国家政策驱动下进入示范生产阶段,BMS作为一个细分领域才逐渐为人所知。主控模块是BMS的控制核心,其承担的工作任务包括电池保护、电气伤害保护、故障诊断管理、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、SOC估计和通讯管理等。电池的容量发挥和工作状态取决于BMS,整车的动力输出、车辆续航里程及行驶状态控制取决于BMS,因此随着电动汽车行业的迅猛发展,整车企业和电芯企业对BMS的性能要求越来越严苛。我司成立于2010年,

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