電動(dòng)客車電池管理系統(tǒng)技術(shù)探析

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摘要:BMS是動(dòng)力電池控制中樞。文章對(duì)電動(dòng)客車BMS展開研究，介紹電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)估算、電池系統(tǒng)控制三項(xiàng)主要功能。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)客車;電池管理系統(tǒng);功能

電動(dòng)客車中電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)動(dòng)力電池性能提升起關(guān)鍵作用。BMS主要功能:采集電池單體溫度、單體電壓，對(duì)單體電壓進(jìn)行均衡控制，對(duì)電池單體進(jìn)行過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫保護(hù);采集電池系統(tǒng)總電流、總電壓，計(jì)算絕緣阻值、判斷電池系統(tǒng)繼電器粘黏狀態(tài);估算SOX狀態(tài);實(shí)時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)及充放電控制;傳遞電池信息至整車控制單元、顯示單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元進(jìn)行顯示及后臺(tái)數(shù)據(jù)處理。

1電池?cái)?shù)據(jù)采集及狀態(tài)估算

電動(dòng)客車BMS需要采集的電池?cái)?shù)據(jù)有:電池單體溫度/電壓、電池系統(tǒng)電流、電池總壓及繼電器后端電壓，從而計(jì)算電池系統(tǒng)絕緣阻值，并估算電池SOC和SOH狀態(tài)參數(shù)。

1.1電池單體電壓及溫度采集

電池單體電壓與溫度采集存在兩種方式:集成式芯片采集和模擬電路采集。1.1.1集成式芯片采集現(xiàn)使用的主流采集芯片有LTC68XX系列和NXP33771X系列，國(guó)內(nèi)BMS使用最多的為L(zhǎng)TC6811，其主要特點(diǎn)有:采集路數(shù)多，一塊芯片可測(cè)量多達(dá)12串電池單體電壓、4個(gè)溫度值;測(cè)量時(shí)間短，290μs可完成所有電池單體測(cè)量;16位AD轉(zhuǎn)換模塊;涵蓋GB/T34590.2—2017《道路車輛功能安全第二部分:功能安全管理》［1］安全性要求設(shè)計(jì)。出于成本考慮，現(xiàn)BMS多數(shù)做成單體24串、36串、48串或60串集成式從控板，不同串的從控板之間直接連接采用SPI通信，從控板與主控板之間通過(guò)CAN通信。但集成式從控板靈活性差，多數(shù)適用于電池單體串?dāng)?shù)小于60串的標(biāo)準(zhǔn)箱，不適用于單體串?dāng)?shù)更多的非標(biāo)準(zhǔn)電池箱。從靈活性考慮，部分BMS直接以采集芯片為單元設(shè)計(jì)成小體積的從控板，該方案從控板外圍電路元器件少，通常電路板體積非常小，常用于直接采集一個(gè)模組(模組中的電芯通常先并后串)中的單體信息，從控板與從控板、從控板與主控板之間采用SPI通信。在多串?dāng)?shù)單體的非標(biāo)準(zhǔn)電池箱，可采用一個(gè)模組配置一塊從控板方案，具有單元化強(qiáng)、箱內(nèi)線束少等優(yōu)點(diǎn)。但該方案從控板數(shù)量多，成本相對(duì)較高，且SPI通信穩(wěn)定性較CAN通信差，易受干擾，存在丟幀現(xiàn)象。1.1.2模擬電路采集從降本角度考慮，有BMS采用多通道模擬電路進(jìn)行電池單體信息采集。以一路差分電路為主體，通過(guò)多路選擇開關(guān)分時(shí)采集每個(gè)單體信息［2－4］。該方案與使用集成式芯片采集相比，成本較低，但有采集時(shí)間長(zhǎng)、溫度采集電路與低壓電路未隔離設(shè)計(jì)等缺陷。目前標(biāo)準(zhǔn)的電池箱單模組多數(shù)采用柔性電路板(FPC)替代采樣線束采集單體電池信息。溫度采集電路與低壓電路未隔離則會(huì)造成電池系統(tǒng)耐壓測(cè)試時(shí)，F(xiàn)PC管腳之間將承受耐壓測(cè)試電壓的沖擊，易導(dǎo)致FPC插頭部位耐壓擊穿。

1.2電池系統(tǒng)電流采集

BMS中SOC的估算通常采用安時(shí)積分法。電流傳感器采集誤差是直接影響安時(shí)積分法估算SOC精度的關(guān)鍵因素，因此準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流采集至關(guān)重要?，F(xiàn)電池系統(tǒng)電流采集主要有霍爾電流傳感器與分流器兩種方式。其中霍爾傳感器又分?jǐn)?shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)兩種電流傳感器。數(shù)字信號(hào)電流傳感器通過(guò)CAN報(bào)文傳送電流值，精度高、誤差小、成本高。模擬信號(hào)電流傳感器通過(guò)電流或電壓量傳送電流值，精度較高、誤差中等、成本中等。分流器通過(guò)電流流經(jīng)電阻的電壓量換算出實(shí)際電流值大小，精度低、誤差大、成本低，因此多數(shù)電動(dòng)客車不使用分流器采集電池系統(tǒng)電流。

1.3電池總電壓測(cè)量及絕緣電阻計(jì)算

電動(dòng)客車電池總電壓測(cè)量及絕緣電阻計(jì)算主要分不平衡電橋法與信號(hào)注入法。1.3.1不平衡電橋法不平衡電橋法在整車高壓系統(tǒng)與整車接地之間并聯(lián)一個(gè)已知的電阻，通過(guò)等效電路的電壓來(lái)計(jì)算出整車等效絕緣電阻。文獻(xiàn)［5］中定義REESS(可充電的且可提供電能儲(chǔ)能系統(tǒng))高壓總正與總負(fù)對(duì)電平臺(tái)有不同的絕緣電阻Rp和Rn，如圖1所示。從安全角度考慮，取REESS阻值Rp和Rn中較小的一個(gè)為絕緣電阻［5］。文獻(xiàn)［5］針對(duì)絕緣電阻設(shè)計(jì)了不平衡電橋測(cè)試法［6－7］，其絕緣電路如圖1中虛線部分，其中R0、R1為固定電阻;S1、S2為開關(guān)部件。Rp和Rn為電池系統(tǒng)高壓總正和總負(fù)與整車接地之間的等效絕緣阻值，E為電池總壓。1)開關(guān)S1、S2同時(shí)閉合，得到電壓Up1和Un1:通過(guò)上述得到Up1、Un1、Up2和Un2的實(shí)際測(cè)量值，代入公式(1)～(4)后，可計(jì)算求出Rp和Rn，取其中較小值作為電池系統(tǒng)的絕緣阻值。1.3.2信號(hào)注入法信號(hào)注入法絕緣檢測(cè)儀為傳遞函數(shù)［8－9］，絕緣檢測(cè)儀自身電壓源為激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)絕緣檢測(cè)電路求得響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換求出被測(cè)對(duì)象R(絕緣電阻)。當(dāng)被測(cè)對(duì)象R變化時(shí)響應(yīng)信號(hào)也會(huì)隨之變化，兩者呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，從而不斷求出實(shí)時(shí)絕緣電阻R。其原理示意圖如圖2所示。

1.4繼電器后端電壓及粘黏檢測(cè)

文獻(xiàn)［10］要求充電時(shí)必須對(duì)電池系統(tǒng)充電繼電器進(jìn)行粘黏檢測(cè)。BMS對(duì)繼電器粘黏檢測(cè)通常采用電壓比較法，即采集電池系統(tǒng)總壓、繼電器后端電壓進(jìn)行比較。在每次需閉合繼電器前，判斷繼電器后端電壓是否大于90%電池系統(tǒng)總壓，若大于則判定繼電器為粘黏，并上報(bào)粘黏故障;若不粘黏，則按正常邏輯閉合繼電器。

1.5電池系統(tǒng)狀態(tài)估算

1.5.1電池。SOC估算電池SOC計(jì)算公式:SOC=Cr/Ct×100%(5)式中:Cr為電池系統(tǒng)剩余容量;Ct為電池系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下可用總?cè)萘俊，F(xiàn)BMS仍主要采用開路電壓法和安時(shí)積分法［11－13］進(jìn)行SOC估算。開路電壓法確定SOC初值，安時(shí)積分法進(jìn)行容量累加。為提高SOC估算精度，通?？紤]電池環(huán)境溫度、循環(huán)次數(shù)對(duì)電池可用總?cè)萘康挠绊?，根?jù)電芯原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正電池系統(tǒng)可用總?cè)萘?，以提高電池系統(tǒng)SOC估算精度。1.5.2電池。SOH估算電池健康狀態(tài)(SOH)指某些直接可測(cè)或間接計(jì)算得到的性能參數(shù)的當(dāng)前值Nn與初始值Ni的比值，用來(lái)衡量電池的健康程度。性能參數(shù)包括循環(huán)次數(shù)、放電容量、放電能量、峰值功率、直流內(nèi)阻等，計(jì)算公式如下:SOH=Nn/Ni×100%(6)

2電池系統(tǒng)控制

2.1均衡控制

隨著電池系統(tǒng)的使用，其電芯的一致性差異愈發(fā)明顯，致使電池系統(tǒng)出現(xiàn)短板效應(yīng)，容量最低的電芯導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)充不滿、放不空。若某一電芯一致性差異持續(xù)增大，將使其他電芯的一致性差異一同增大，最終導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)容量快速衰減［14］。因此，通過(guò)電芯均衡控制減小電芯一致性差異至關(guān)重要?，F(xiàn)均衡控制方法主要有被動(dòng)式均衡和主動(dòng)式均衡。1)被動(dòng)式均衡。被動(dòng)均衡就是對(duì)模組中電壓很高的電芯進(jìn)行放電，使其與其他電芯電壓盡量保持一致。通過(guò)從控板對(duì)每個(gè)電芯并聯(lián)一個(gè)電阻、一個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成均衡回路，由開關(guān)器件周期性通斷對(duì)需均衡的電芯進(jìn)行放電，從而減小最高單體電壓與最低單體電壓的差距。均衡策略:在前一個(gè)周期內(nèi)由主控板計(jì)算出需要均衡的電芯，下發(fā)均衡開啟指令至從控板，從控板收到指令后在下一個(gè)周期中的均衡時(shí)間對(duì)電芯開啟均衡，均衡完畢后繼續(xù)采樣，若未到達(dá)均衡關(guān)閉條件，主控板將持續(xù)對(duì)需均衡電芯發(fā)送均衡開啟指令，直至滿足均衡關(guān)閉條件。目前，被動(dòng)均衡的水平通常可達(dá)到同時(shí)開啟一個(gè)從控板1/4至1/2采集電芯均衡路數(shù)，均衡能力只有100mA左右。若在電池系統(tǒng)的放電與充電過(guò)程均開啟被動(dòng)均衡，可減小電芯一致性差異的效果。被動(dòng)均衡因均衡電路簡(jiǎn)單、均衡器件成本低，通常其從控板成本為同串?dāng)?shù)主動(dòng)均衡從控板成本的1/2。2)主動(dòng)式均衡。其電路由電容、電感、開關(guān)器件構(gòu)成。通過(guò)控制開關(guān)器件周期性將電壓高的電芯能量轉(zhuǎn)移至電壓低的電芯，均衡能力可達(dá)500mA～2A。主動(dòng)式均衡從控板可同時(shí)開啟的均衡路數(shù)通常為其電芯采集路數(shù)的1/4。由于主動(dòng)均衡成本高，在電動(dòng)客車電池系統(tǒng)中常不被采用。

2.2充電控制

為實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)高效率充電，充電過(guò)程通常采用三段式充電方式:先恒流后恒壓再涓流。在恒流階段，BMS會(huì)根據(jù)電池系統(tǒng)在不同溫度與不同SOC下的充電接受能力調(diào)整充電電流大小。電池電壓上升至某一值后，電池系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電方式，通常恒壓充電時(shí)間非常短。恒壓充電階段，充電電流會(huì)逐漸下降，當(dāng)下降至某一特定值時(shí)，電池系統(tǒng)進(jìn)入涓流充電方式。涓流充電一段時(shí)間，電池系統(tǒng)單體電壓達(dá)到某一特定值，充電全過(guò)程結(jié)束。

2.3電池系統(tǒng)安全控制

BMS采用在線故障檢測(cè)、遠(yuǎn)程故障預(yù)警、24h監(jiān)控方式進(jìn)行電池安全控制。1)在線故障告警項(xiàng)目通常有:單體過(guò)壓/欠壓/過(guò)溫/低溫，總壓過(guò)壓/欠壓，電流過(guò)流，SOC過(guò)低，系統(tǒng)絕緣，通信故障，火災(zāi)報(bào)警，散熱系統(tǒng)故障等。常將電池故障分等級(jí)處理，一般分成三級(jí):一級(jí)輕微，提示性故障或限功率處理;二級(jí)中等，進(jìn)一步限功率處理;三級(jí)嚴(yán)重，主動(dòng)切斷對(duì)應(yīng)繼電器，禁止使用電池。2)遠(yuǎn)程故障預(yù)警主要有兩方面功能:①及時(shí)推送電池系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障;②利用后臺(tái)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)電池故障趨勢(shì)，提前預(yù)判電池故障，以便利用電池閑置時(shí)間進(jìn)行電池維護(hù)。3)24h監(jiān)控。采用電池系統(tǒng)配置的DC/DC模塊，將動(dòng)力電池高壓電轉(zhuǎn)換為24V低壓電供BMS工作，實(shí)時(shí)采集電池系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)24h監(jiān)控功能。24h監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式為電源DC/DC模塊自帶時(shí)鐘電路，在車輛運(yùn)行時(shí)或充電結(jié)束下電時(shí)，由BMS下發(fā)周期性DC/DC喚醒時(shí)間，DC/DC收到喚醒時(shí)間后自動(dòng)計(jì)時(shí)到第一次喚醒時(shí)間，DC/DC模塊以固定時(shí)間工作向BMS輸出24V低壓電，后續(xù)若車輛未進(jìn)入運(yùn)行或充電狀態(tài)，則DC/DC模塊繼續(xù)計(jì)時(shí)，DC/DC模塊將以周期性時(shí)間進(jìn)行喚醒向BMS輸出低壓電，供BMS監(jiān)控電池系統(tǒng)信息。若車輛進(jìn)入運(yùn)行或充電狀態(tài)，則DC/DC模塊停止計(jì)時(shí)，退出24h監(jiān)控模式。

3結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)客車的動(dòng)力電池系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)安全、無(wú)故障、高效率的使用，其中BMS起著核心控制作用。文章介紹了電動(dòng)客車BMS的構(gòu)成，闡述了其主要功能。

作者:尹志剛 龍宇舟 彭再武 劉文哲 單位:長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司 中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司