动力电池结构和基础知识科普

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1、动力电池结构和基础知识科普基本概念Bms 是电池控制系统 Bmu 是电池管理单元 bms 包括 bmu 和 bcu图中，BMU是管理一串电池中的单个电池的管理单元，一般一个BMU管理15/16块电池组成的一个电池组，而BMS是管理N个串并联的电池组，BMS通过电池组上的BMU获取每颗电池的各种参数第一部分 电池管理系统结构电池管理系统有三种不同的构型，我们可以称为集中式管理系 统、半分布式管理系统和分布式管理系统。1）集中式管理系统（大BMS方式）：这种管理架构，是将所有的 采集单体电压&电压备份和温度的单元全部集中在一块BMS板上，由 整车控制器直接控制继电器控制盒。大部分低压的HEV都是这

2、样的 结构，PHEV和EV典型的应用如LEAF、Cmax等。这样做的优点，是 相对而言比较简单，成本较低，由于采集备份在同一块板上，之间 的通信也简化了。缺点当然是很明显的，单体采样的线束比较长， 导致采样导线的设计较为复杂，长线和短线在均衡的时候导致额外 的电压压降;整个包的线束排布也比较麻烦一些，整块BMS所能支持 的最髙的通道也是有限的。这种方式成本低，但是适用性也比较差，性能有些地方没法保证，只能适用于较小的电池包。2）分布式管理系统（BMU+多个CSC方式）：这种是将电池模组（模 组和CSC 一配一的方式）的功能独立分离，整个系统形成了 CSC（单 体管理单元）、BMU（电池管理控制

3、器，或电池管理单元）、S-Box继 电器控制器和整车控制器，三层两个网络的形式。典型的应用如德 系的 13、18、E-Golf 和日系的 IMIEV、Out lander 和 Model S。优 点是可以将模组装配过程简化，采样线束固定起来相对容易，线束 距离均匀，不存在压降不一的问题;如后面分析的那样，当电池包大 了以后，这种模式就很有优势了。缺点是成本较髙，如3所示，需要额外的MCU,独立的CAN总线支持将各个模块的信息整合发送给 BMS,总线的电压信息对齐设计也相对复杂。这种方案系统成本最 髙，但是移植起来最方便，属于单价髙开发成本低的典型，电池包 可大可小。3）半分布式管理系统（BMU

4、+少量大CSC方式）：简单一些来说， 这就是两种模式的妥协，主要用于模组排布比较奇特的包上，典型 的应用如Smart ED和Volt。这是一种是将电池管理的子单元做的 大一些，采集较多的单体通道，这样做的好处是整个系统的部件较 少，但是需要注意的是这种方式优势不太明显，主要是部件不少而 且功能集中度也髙一些，是三种方案里面成本较髙的方案。图1三种电池管理系统架构图 2 部分主流车辆的管理系统划分EMlCDifferential SPICAN*J -二 m r图 3 分布式和集中式架构基本对比可以说，如果将整车控制和电池管理系统的放在一起来看的 话，整个功能分配会更加完整一些。当功能进行划分完毕

5、之后，我 们可以进一步对各个部件进行硬件和软件的定义。总的趋势变化：a）BMS+BMU单元肯定会保留功能单体相关的功能（电压、温度测量和备份、均衡）SOx的算法和功率限制对VCU的通信自身的诊断和少量的记录绝缘检测b）可能转移至配电盒转移的功能髙压测量继电器控制和诊断电流测量c）可能转移至整车控制器的功能充电控制热管理控制典型的功能分配可以如下图4所示。图 4 三种模式的功能分配案例第二部分 集中式 LEAF 管理系统案例分析日产的工程师采取了传统集中式的典型布置，这是技术演进的 结果（日产从上世纪90年代开始陆续测试试验车Prairie EV、 Altra EV和Hyper Mini），更像

6、是对原有的HEV电池包进行优化。 在整个模块里面，所有的模组都是由BMS直接采集并采用传统的配 电盒处理。BMS功能：安装在24个模块的侧边，通过6个接插件来连接电 池模组内部，电池包配电盒还有车外的连接。电池内配电盒：这个配电盒类似于混动配电盒，仅包含主正、 主负、预充继电器和预充电阻。电流传感器：电流传感器是独立安装的。-r-才冲二1-0毎0图5 LEAF内部模组连接示意图BMS的电路结构如下图所示，可以看出采集48个模块的96个 通道的单体电压，所以整个采样部分密密麻麻。这样的设计，是很 难实现较大电流的被动均衡的算法，事实上，这里也没有采取很大 的电阻做法。雀匡話任4:、yHTLP11

7、4BTDKZJY51EUX Toshiba TL58LTt)iRFTracJdng KeguhtorReni-SAfi (NEC1 jiPXKP CXS|1PD7OF32KTrSriyrrtTTSOEEPROMS93CW死 npii4ieU1EV. COM第一电动桦a玄用了松下的继电器，这块由于松下长期的技术演进倒是没有什 么意外的，这里需要注意的是，配电盒有着很强的噪声抑制的设计 要求。110330286120Jiuicfion box schematic图7 2011和2013的配电盒对比总的来看，以LEAF为代表的集中式电池管理系统，在电池系统的使用中有着很多的应用限 制。第三部分 分布

8、式 I3 管理系统案例分析典型的分布式架构，我们可以拿宝马的系统来看，这套系统从BMW与A123合作Active Hybrid，5，7）系列车型就开始用了，后 续在I3和18的电池系统的电子系统中沿用。如图是在2015年上海 车展的均胜电子的展台上拍到的CSC和BMU的实物照片，CSC的芯 片一面被遮住了。CSC功能：模组侧边安装，实现了单体电压采集、电压备份的 功能和温度采集。主要的芯片为LT6801和6802G-2，通过 Freescale的单片机通过总线传送出去了。BMU功能：这是非对称结构的MCU布置，在BMU里面实现了绝 缘测量、HVIL的功能。S-Box功能：这里是实现了继电器、预

9、充电阻、电流测量等一 体化的设计。CSC CSC CSG CSC图 8 分布式架构由于CSC有足够的空间来安置采集芯片、备份芯片、均衡电 阻，所以即使系统在三防漆处理之后还可以实现56欧的均衡，散热 这块的设计相对简单一些。CSC的功能安全设计也做了精心的考虑，采用CAN信号的光耦 耦合输出；同时内部采用运放比较器比较MCU处理过充信号和备份芯 片的方式来独立发送过充等功能安全信号。侧边安装的方式，使得 各种长方和正方的模块设计显得游刃有余，相比较而言，iMIEV和A3 PHEV的模组上方的设计对模组设计还是有一些限制的，如图11 所示。 is-bTI：11V山峽严弟一电动第一电动DIEV.

10、COM图 11 模组上方的 CSC 嵌入安装方式总的来看，电池系统模组化的趋势比较明显，分布式的CSC模块直接安装在模组上方，将电池采样线设计进一步简化。第四部分 产品设计中的考虑1）BMS的寿命设计对应的工作时间分析传统的汽车，其实本质上HEV的运行机理和传统汽车一样，我 们可以将时间划分为：a）上车之前的时间：从芯片厂家出来运输到 PCBA的组装厂，成为部件产品，然后运送至整车企业组装厂待上车 b）运行时间，也就是开车的时间和c）非运行时间。我们就按照SAEJ1211里面的两个例子Door Module 8000小时 工作时间79600非工作时间（Sleep模式）和变速箱控制器（6000小

11、 时/125400小时=131400小时）。对于BMS来说，HEV的情况下，也 是一样的，工作时间最髙不超过8000小时就够了。充电的车辆呢， 问题来了，在引擎关闭的状态下，还有个充电状态。现在我们把估 计重新调整一下，如果按照国外的寿命设计要求，15年的车辆预期 寿命，可以初步估计为8000小时1.46小时每天的开车时间和 1095032850小时26小时每天的充电时间。充电的时候，BMS 部件都得工作啊，这个问题就变成了，不仅仅是开的里程多用的时 间长的人对整个BMS系统的寿命形成重度的影响，充电慢的一样。那我们换一个角度来看，如果是在中国，一个客户预期的寿命 是8年，按照50KM的角度，

12、一般需要配置12度电左右，我们再估 算一下使用时间的分配。模式2 220V AC &8 A输入1.7KW电池系 统1.5KW充电时间为8小时，模式3 220V AC&16 A输入3.3KW电池系统3.0KW充电时间为4小时二5840小时2 小时每天的开车时间+11680023360小时48小时每天的充电时 间。2）环境负荷分析电池管理系统，由于有髙压部分和低压部分，基本上原有电控 单元需要做的12V的电气试验和电气要求都要有，又由于整个电池 系统往底盘和车架上装的趋势很明显，机械应力设计要求也不低。环境这块，同样是安装条件的事情，如果电池包设计的好一些，可 能压力小一些。a）环境设计要求要有防

13、水功能，这不仅包含电池包IP等级由于密封胶老化，也 是考虑内部有凝露或者是内部冷却液泄漏造成，电池系统进液体故 障。考虑到中国的城市下水道问题，这个事情要比国外大城市使用 更苛刻。要有防盐雾和湿热功能，电池系统由于带盐分的空气湿热交变 的凝露，产生腐蚀或者绝缘下降等故障。b）电特性要求：所有的隔离电路部分的抗电强度大于2000V，绝缘电阻大于 10MQ，爬电距离满足IEC要求。EMC见下表满足电故障要求，电源反接、防电源短路、防对地短路、防过 压和防引脚短路。腴辿击谒优ic彥E莎彥卫:倉沈x遑邮渝酿1昨号艷 Fit勵说 直电府主人淞t feattt 硏懈中尹瞬氓电电十.務班弦黯船.蛊傍童老般.

14、司段零电宓SUjSJL33再理沁兽言報耘薄迂25 awtfotffiaa药反电坯謎试;27均醪碼瞬1S开芾認洽芳旦a洌荒舞的电圧碱沪宅祈歸疑晒细5mMt乏讒/reI咬扭耐疡窒壌 3ISO 167SD-&ISO 16750-3l$Q 1 7h j31MMlgggE黑？150 76-37-2弓ECU $呼汁507637/505UH452 J15Q i 145J-VfAGMW 1172FCKfE7P OO.OGE-412 .EMf-C5-2QOTTqT画 nCTTOlC.TWPDCI E-GBMW GS&W3-V：/W4|Reh ault 36-D&-8Ci/-MNiM&nZMOOfiDSOO ZB

15、M1ND501VWTLSOTOTAVliM-WnUfliJ54QgiCSMW W?-?Ford EM-CS-33M 恤曲 i ESW2CKKB N-sssSa-Wl MM6SHEnawIt 5-K Sra-MJZKA fiMW斟a：朋聲鹊DVWtf TL310DQTfiiMaTW7OTM JOESJiGSGJS 1 汩图 12 普通电控单元负荷要求标准对应表3）软件系统设计我对整个软件系统的设计生疏一些。总的来看，BMS的核心价 值不仅仅在相关算法上，离线的电池模型建立和电池寿命预测，也 会对BMS内部的软件系统产生很深刻的影响。这块限于篇幅，这里 不展开了，以后有机会再 介绍。全文小结1）本

16、文还是对乘用车用BMS做一些阐述，实际产品设计中整个 设计是更严谨和细致的，这里更多的还是提一些概要。2）电池管理系统的技术还是和电池模组设计和电池包的设计是 强相关，目前处于演变快速阶段，这些老的设计概念，也只能作为 一个参考。巧n丄i fxi仝DIEV. COM第一电动BMS第五部分 锂电池组 BMS 产品的第三种架构目前锂电池组BMS产品主要有2种架构，集中式管理系统和分 布式管理系统。集中式成本较低，但是线束比较复杂，而且需要和 电池单体对应，如果接错会有电池短路起火的风险。分布式的线束相对简单，但是单体管理单元（CSC）仍然需要和电池单体保持 对应的关系（通过在CSC 上设置软地址或

17、者硬地址来解决）， 给生产和维护带来了额外的工作量。而且需要注意的另外一点是， 如果要实现主动均衡功能，这两种架构的BMS还需要额外的连线来 完成能量的转移。不仅如此，还需要解决的另一个难题是开关矩 阵，就是能量如何从整组电池中流入任一个单体。目前有在用的方 案是通过继电器，实现简单，但也带来了寿命和可靠性的问题。因 为继电器是一个机械电子元件，有寿命的限制和开关动作时粘连的 危险。还有一个解决方案是用电子开关，MOSFET,但是会带来成本 和电路复杂性的上升。从功能实现的角度来看，BMS的所有功能都没有不可逾越的技术门 槛，但从实际使用的角度来看，BMS产品的难点在于复杂的线束、 对应的关系

18、和大电流主动均衡的低成本实现。集中式管理系统 和分布式管理系统都没能很好的解决这些问题。深圳的一家初创公司提出了第三种架构，积木式架构，干净利索的 解决了 BMS的难题。系统由UM （单体模块）、控制器和总线（2线制）三部分构 成。电池组根据单体数量分成一组或多组，每个电池单体配有一个 UM模块，该模块为标准模块，没有任何软硬地址设置。模块为4端 口， 2个输入2个输出，输入与电池单体正负极相连，输出与每组 总线相连；总线为2线制，可以传递数据和能量，主动均衡电流可 以达到10A ；总线与控制器连接，这样就形成了一个系统。象搭积 木一样，多个系统可以通过CAN总线连接构建成更大规模（百串级 别）的电池组能量管理系统，积木式架构由此得名。组成系统的模 块和总线都是标准部件，只有控制器根据系统规模大小会有相应设 置。初看之下，这种架构和分布式架构类似，其UM和分布式的CSC 功能相似；但是其UM比CSC要更简洁，更灵活，不用任何地址设 置，这也就是说，任意2个UM都可以互相替换，生产和维护效率会 髙很多，对操作人员要求也没那么髙。总线只有2根线，却把数据 传输和能量传输统一起来，解决了线束和矩阵开关的难题。这BMS 的第三种架构，有潜力成为BMS产品的最终架构。