BMS

電源管理系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)際能源署的報(bào)告，2016年在全球行駛的電動(dòng)汽車達(dá)到了200萬(wàn)輛，到2020年全球電動(dòng)汽車的保有量將增長(zhǎng)到900萬(wàn)-2000萬(wàn)，而這個(gè)數(shù)據(jù)在2025年將增加到4000萬(wàn)-9000萬(wàn)，市場(chǎng)成長(zhǎng)的加速度驚人。

不過(guò)同時(shí)會(huì)把人們“驚”到的，還有不時(shí)見(jiàn)諸報(bào)端的電動(dòng)車安全事故。有人將2010年以來(lái)中國(guó)發(fā)生的49起電動(dòng)汽車事故進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)有50%都與“電池”相關(guān)。這也難怪，作為電動(dòng)汽車“心臟”的電池組，是由數(shù)以千計(jì)的單體鋰電池構(gòu)成的。鋰電池是目前能量密度最高的可商用的電池技術(shù)，據(jù)估算2017年全球鋰離子動(dòng)力電池的需求量大約為50GWh。而鋰電池的“魔性”在于鋰材料天生的不穩(wěn)定性，如果遇到過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等使用中的問(wèn)題，或者是制造工藝、結(jié)構(gòu)材料方面的影響，就很可能發(fā)生燃爆事故。所以既要讓鋰電池為電動(dòng)汽車提供強(qiáng)勁的能量，又要將其充滿“魔性”的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程很好地管控起來(lái)，這就需要一個(gè)大神級(jí)的角色出場(chǎng)。它就是BMS（電源管理系統(tǒng)）。

BMS是伴隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新技術(shù)，但由于“汽車”這個(gè)產(chǎn)品特殊的安全性要求，所以人們對(duì)于BMS的功能也給予了更多的厚望：BMS需要具有防止過(guò)充、避免過(guò)放、溫度控制、保持電池組件電壓和溫度平衡、預(yù)測(cè)電池的剩余電量和剩余行駛里程等功能；同時(shí)，BMS還要具備實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整電池管理狀態(tài)的能力、與多個(gè)平行子系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)工作的能力。簡(jiǎn)言之，BMS就是對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、控制、反饋的一整套監(jiān)控系統(tǒng)，確保動(dòng)力電池高效和安全地運(yùn)作，是BMS的核心職責(zé)所在。

從BMS的技術(shù)架構(gòu)來(lái)看，其最核心的功能包括：

• 準(zhǔn)確的電池狀態(tài)估測(cè)。即對(duì)電池組的SOC（荷電狀態(tài)）、SOP（功率狀態(tài)）和SOH（健康狀態(tài)）等參數(shù)做出準(zhǔn)確的測(cè)量和估算，可以完成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)每塊電池的狀態(tài)做出診斷，為其建立使用歷史數(shù)據(jù)檔案，為數(shù)據(jù)分析和控制決策提供依據(jù)。

• 能量均衡。由于實(shí)際工作中電池組中的每個(gè)電池性能表現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)差異，這種差異會(huì)對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用產(chǎn)生不良影響，所以需要通過(guò)能量均衡的手段去彌補(bǔ)電池個(gè)體之間的差異，確保其一致性，對(duì)電池組進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)的“保養(yǎng)”。目前BMS中采用的有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種能量均衡策略，它們各具特點(diǎn)（詳見(jiàn)表1）。

• 保護(hù)功能。具備可靠的過(guò)充、過(guò)放保護(hù)，過(guò)流、過(guò)溫、低溫保護(hù)，多級(jí)故障診斷保護(hù)，確保在故障發(fā)生時(shí)能夠做出快速響應(yīng)。

• 數(shù)據(jù)通信功能。通過(guò)CAN總線或其他方式建立數(shù)據(jù)通信機(jī)制，并向顯示系統(tǒng)、整車控制器、充電機(jī)等外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，甚至可以配備無(wú)線傳輸功能，連接至云端。

表1，被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡技術(shù)策略比較

為了支撐BMS的上述功能，各個(gè)技術(shù)廠商都在積極開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和解決方案。比如Maxim Integrated的MAX14920/MAX14921電池測(cè)量模擬前端器件，可以支持高精度采樣電池電壓，并提供電平轉(zhuǎn)換，可支持多達(dá)16節(jié)/+65V （最大）的主/輔電池組，通過(guò)外部的FET驅(qū)動(dòng)器可支持被動(dòng)電池均衡。

如果說(shuō)Maxim Integrated提供的是高性能“單品”，Texas Instruments（TI）提供的則一道“套餐”。基于其TI的bq76PL455A-Q1集成式 16 節(jié)電池監(jiān)視和保護(hù)器件，可搭建一套完整的被動(dòng)電池均衡解決方案。bq76PL455A-Q1可監(jiān)視和檢測(cè)包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱和通信故障等多種故障，最多允許十六個(gè) bq76PL455A-Q1 器件通過(guò)單個(gè)UART接口與主機(jī)通信。

圖，TI的被動(dòng)電池均衡方案

NXP憑借其完整的汽車電子產(chǎn)品線，可提供包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網(wǎng)絡(luò)高速收發(fā)器、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等在內(nèi)的完整的電池管理系統(tǒng)解決方案，通過(guò)該方案客戶可管理高達(dá)800V以上的高壓。

圖，NXP整體BMS解決方案

除了上述芯片級(jí)的“硬功夫”，設(shè)計(jì)一個(gè)BMS系統(tǒng)還需要相應(yīng)的“軟實(shí)力”，即核心算法的開(kāi)發(fā)。一個(gè)優(yōu)秀的算法，不僅可以提高對(duì)電池組狀態(tài)估測(cè)的精確度，還會(huì)具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，從而抵消可能由于電池品質(zhì)等硬件因素造成的影響，使得對(duì)一致性不太好的電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，從而節(jié)省整體系統(tǒng)成本。算法的優(yōu)劣還體現(xiàn)在其所需的硬件資源開(kāi)銷上，高效的算法只需少量的CPU計(jì)算資源即可完成，大大提升了系統(tǒng)的效率。

根據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年中國(guó)車用動(dòng)力電池的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1200億元，屆時(shí)國(guó)內(nèi)電動(dòng)車用BMS的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)170億元。盡管BMS在整個(gè)電動(dòng)汽車中的成本比重并不高，但為了確保動(dòng)力電池不會(huì)成為“炸彈”，開(kāi)發(fā)者確實(shí)應(yīng)該將BMS視為一個(gè)“神”一樣的存在，讓其深深地根植在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)理念中。