在保證電池系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了電池單體特性、電池模組設(shè)計(jì)、電池包的結(jié)構(gòu)和排氣設(shè)計(jì)以外，就要數(shù)電池管理系統(tǒng)最有主控性。這里想做一個(gè)系列文章，分別介紹電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)、乘用車管理系統(tǒng)、電動(dòng)大巴管理系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的發(fā)展四個(gè)部分，這是第一篇。

從鎳氫電池開(kāi)始，電池由于其本身的特性，需要電池管理系統(tǒng)來(lái)管理，它也是新能源汽車整體架構(gòu)中的要素之一。從總體來(lái)看，電池管理系統(tǒng)的主要目的是測(cè)量電池狀態(tài)、延長(zhǎng)電池的使用壽命。電池管理系統(tǒng)的常見(jiàn)功能模塊根據(jù)初步劃分，也可以分為測(cè)量功能、狀態(tài)計(jì)算功能、系統(tǒng)輔助功能和通信與診斷。

第一部分測(cè)量功能

1)基本信息測(cè)量：電池電壓，電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)，電池包溫度的檢測(cè)

電池管理系統(tǒng)有著最基本功能就是測(cè)量電池單體的電壓，電流和溫度，這是所有電池管理系統(tǒng)頂層計(jì)算、控制邏輯的基礎(chǔ)。如圖1所示，電池管理系統(tǒng)目前從電池這里獲取的直接物理參數(shù)就是只有電壓、溫度和電流。

圖1電池管理單元概覽

1.1單體電壓測(cè)量和電壓監(jiān)控

單體的電壓，對(duì)于電池管理系統(tǒng)有幾種意義，一是可以用來(lái)累加獲取整個(gè)電壓，二是可以根據(jù)單體電壓壓差來(lái)判斷單體差異性，三是可以用來(lái)檢測(cè)單體的運(yùn)行狀態(tài)。單體的電壓的采集和保護(hù)，目前都用ASIC來(lái)完成，而考慮采集電壓的精度不僅僅需要考慮ASIC電路本身的精度，也需要考慮單體電壓采樣線束、線束保護(hù)用熔絲、均衡狀態(tài)等多項(xiàng)內(nèi)容。由于對(duì)電壓采集精度的敏感度，與電池化學(xué)體系和SOC范圍(SOC兩端的需求往往較高)都有關(guān)系，實(shí)際上的ASIC采集得到的電壓數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)還原成接近電池本身的電壓。

圖2單體采集電路模型

1.2電池包電壓測(cè)量

在后續(xù)計(jì)算SOC的時(shí)候，往往會(huì)用電池組的總電壓來(lái)核算，這是計(jì)算電池包參數(shù)重要參量之一;如果由單體電壓累加計(jì)量而成本身電池單體電壓采樣有一定的時(shí)間差異性，也沒(méi)辦法與電池傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)齊，因此往往采集電池包電壓來(lái)作為主參數(shù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。在診斷繼電器的時(shí)候，是需要電池包內(nèi)外電壓一起比較的，所以這里一般測(cè)量電池包電壓至少有兩路V0和V1，如圖3所示。

圖3BMS高壓采集

由于這里牽涉到了高壓采集，需要進(jìn)行隔離，所以一般的辦法有兩種，光隔如AVGAO的芯片方案或者通過(guò)電阻分壓，然后配置工作點(diǎn)，再加上汽車級(jí)運(yùn)放所組成的儀表運(yùn)放電路，如下圖4所示。

圖4三運(yùn)放組成的儀表運(yùn)放

1.3電池溫度

溫度對(duì)電池的參數(shù)有著很大的意義，這里也是引起爭(zhēng)議的地方。在設(shè)計(jì)電池和模組的時(shí)候，電池內(nèi)外的溫度差異、電池極耳和母線焊接處、模組內(nèi)電池溫度差異和電池包內(nèi)最大溫度差，這些參數(shù)在設(shè)計(jì)整個(gè)電池包的時(shí)候都是屬于已經(jīng)進(jìn)行先期控制了。BMS在設(shè)計(jì)溫度傳感器的放置點(diǎn)，以及放置多少溫度點(diǎn)和最后采集得到的溫度點(diǎn)表征整個(gè)電池包的運(yùn)行情況，這里并不是BMS能管理的范疇。溫度檢測(cè)的精度也是頗有講究的，如在-40度的時(shí)候，檢測(cè)精度不需要特別高，因?yàn)槭褂秒姵叵到y(tǒng)本身就需要加熱，而在-10度～10度對(duì)電池性能有重大影響的區(qū)域，還有40度高溫臨近點(diǎn)，這些都是需要重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以用上拉電阻、濾波電阻和溫度傳感器的本身的數(shù)值進(jìn)行蒙特卡羅分析。

需要注意的是，在一個(gè)電池包內(nèi)放置太多的溫度傳感器并不是好主意，有了太多不僅涉及到診斷問(wèn)題，而且通過(guò)分析需要選取較多的高精度電阻，于成本無(wú)益。目前ASIC電路也會(huì)將溫度采集的功能涵蓋進(jìn)去。

1.4電池包流體溫度檢測(cè)

電池管理系統(tǒng)在整個(gè)電池包熱控制里面，一般的作用是匯報(bào)溫度，以及流體入口和出口的溫度，檢測(cè)電路與單體檢測(cè)類似。

1.5電流測(cè)量

電池包的往往僅在單體這一層級(jí)做并聯(lián)(最極端的是特斯拉的小電池的75個(gè)并聯(lián))，電池包內(nèi)的單體串聯(lián)給整車提供電能，所以一般只需要測(cè)量一個(gè)電流。電流測(cè)量手段主要分兩種智能分流器或霍爾電流傳感器。由于電池系統(tǒng)需要處理的電流數(shù)值，往往瞬時(shí)很大，比如車輛加速所需要的放電電流和能量回收時(shí)候的充電電流，因此評(píng)估測(cè)量電池包的輸出電流(放電)和輸入電流(充電)的量程和精度，這是一件需要仔細(xì)檢查的工作。電流是引起單體溫度變化的主要原因，作用在內(nèi)阻和化學(xué)發(fā)熱一起構(gòu)成了電池發(fā)熱;電流變化的時(shí)候也會(huì)引起電壓的變化，與時(shí)間一起，這三項(xiàng)是核算電池狀態(tài)的必備元素。

霍爾傳感器一開(kāi)始日系混合動(dòng)力車上用的較多，現(xiàn)在慢慢有智能的分流器完成電壓和電流的采樣，通過(guò)串行總線傳輸，甚至可以在里面實(shí)現(xiàn)SOC的估算。

2)絕緣電阻檢測(cè)

電池管理系統(tǒng)內(nèi)，一般需要對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，比較簡(jiǎn)單的是依靠電橋來(lái)測(cè)量總線正極和負(fù)極對(duì)地線的絕緣電阻。現(xiàn)在在電池包里面用的比較多的是主動(dòng)信號(hào)注入，主要是可以檢測(cè)電池單體對(duì)系統(tǒng)的絕緣電阻。

3)高壓互鎖檢測(cè)(HVIL)

高壓互鎖的目的是，用來(lái)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)的完整性的，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需要啟動(dòng)安全措施了。

a)HVIL的存在，可以使得在高壓總線上電之前，就知道整個(gè)系統(tǒng)的完整性，也就是說(shuō)在電池系統(tǒng)主、負(fù)繼電器閉合給電之前就防患于未然

b)HVIL的存在，是需要整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的，主要通過(guò)連接器的低壓連接回路上完成的，電池管理單元一般需要提供電路的檢測(cè)回路。

HVIL源有三種不同的方式，5V、12V和PWM波。