BMS电池管理系统全方位解析

火辣西米秀

BMS电池管理系统全方位解析 [复制链接]

 

随着机器人技术不断进步，电池作为自主系统的核心动力源显得至关重要。就像电动汽车一样，电池管理系统（BMS）在其中扮演着重要角色，保证能源有效利用并保护电池免受潜在危险。本文, 我们将深入探讨BMS在机器人技术中的关键作用，展示其优势和应用。

 

对于机器人的电池管理系统（BMS）的技术发展，借鉴在电动汽车上的应用，可追溯到丰田HEV车型上对镍氢电池的管理。与管理锂电池不同由于镍氢电池具有一致性高、安全性好、且单体电压偏低（1.0~1.7V）的特点，所以镍氢电池的BMS通常不需要均衡功能，不需要控制接触器，也不需要对每节电池进行电压采集（可6节电池串联作为一个整体进行电压监控）。虽然镍氢电池BMS硬件功能相对简单，但由于镍氢电池的记忆效应以及电压外特性与SOC对应关系复杂，所以难点在于如何估算SOC以及如何控制和调整充放电区间，避免电池迅速衰减。随着锂电池技术的应用，动力电池系统能量密度更高，容量更大，运行时间更长，对BMS的功能也提出了新的要求。从拓扑架构上看BMS根据不同项目需求分为了集中式（Centralized）和分布式（Distributed）两类。

 

 

 

（BMS的主从一体集中式与分布式架构）

 

 

集中式BMS架构

 

集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、总压低、电池系统体积小的场景中，如电动工具、机器人（搬运机器人、助力机器人）、IOT智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车。

 

集中式架构的BMS硬件可分为高压区域和低压区域。高压区域负责进行单体电池电压的采集、系统总压的采集、绝缘电阻的监测。低压区域包括了供电电路、CPU电路、CAN通信电路、控制电路等。随着乘用车动力电池系统不断向高容量、高总压、大体积的方面发展，在插电式混动、纯电动车型上主要还是采用分布式架构的BMS。

 

 

分布式BMS架构

 

分布式的BMS架构能较好的实现模块级（Module）和系统级（Pack）的分级管理。由从控单元CSC负责对Module中的单体进行电压检测、温度检测、均衡管理（有的会有独立出CSU模块单元）以及相应的诊断工作；由高压管理单元（HVU）负责对Pack的电池总压、母线总压、绝缘电阻等状态进行监测（母线电流可由霍尔传感器或分流器进行采集）；且CSC和HVU将分析后的数据发送至主控单元BMU（Battery Manangement Unit），由BMU进行电池系统BSE(Battery State Estimate)评估、电系统状态检测、接触器管理、热管理、运行管理、充电管理、诊断管理、以及执行对内外通信网络的管理。

 

目前主流的量产电动车型普遍采用了分布式的BMS架构，如BMW i3/i8/X1，Tesla Model S/X，GM Volt/Bolt，BYD 秦/唐，荣威 e550/e950/eRX5等等。分布式BMS架构的优势在于可以根据不同的电池系统串并联设计进行高效的配置，BMS连接到电池之间的线束距离更短、更均匀、可靠性更高，同时也可以支持体积更大的电池系统设计（如MW级储能系统）。

 

分布式BMS成为主流应用方案的另一个原因在于其更好的满足了动力电池系统模块设计的趋势。随着动力电池系统在汽车领域广泛的应用和产量规模的攀升，统一标准的电池Module在业内逐渐提上议程。若没有标准Module作为产业化推进的支撑，则老款电动车型在使用若干年后将遭遇无电池备件可换的尴尬局面、从车用领域退役下来的动力电池将面临无法得到有效梯次利用的境地。而标准化的Module需要将电池管理系统的部分功能（单体状态采集和管理）与电池进行高度集成，从而实现空间利用率高、可靠性高、通用性强的要求。因此从控单元CSC已经逐渐成为标准Module中不可或缺的关键部件之一。

 

BMS的核心功能

 

1、电芯监控技术

 

1）单体电池电压采集；

 

2）单体电池温度采集；

 

3）电池组电流检测；

 

温度的准确测量对于电池组工作状态也相当重要，包括单个电池的温度测量和电池组散热液体温度监测。这需要合理设置好温度传感器的位置和使用个数，与BMS控制模块形成良好的配合。电池组散热液体温度的监控重点在于入口和出口出的流体温度，其监测精度的选择与单体电池类似。

 

 

（CSC从控与电池接线）

 

2、SOC（荷电状态）技术：简单来说就是电池还剩下多少电

 

SOC是BMS中最重要的参数，因为其它一切都是以SOC为基础的，所以它的精度和鲁棒性（也叫纠错能力）极其重要。如果没有精确的SOC，再多的保护功能也无法使BMS正常工作，因为电池会经常处于被保护状态，更无法延长电池的寿命。

 

SOC的估算精度精度越高，对于相同容量的电池，可以使电动车有更高的续航里程。高精度的SOC估算可以使电池组发挥最大的效能。

 

3、均衡技术

 

被动均衡一般采用电阻放热（电容载体）的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的，电路简单可靠，成本较低，但是电池效率也较低。

 

主动均衡充电时将多余电量转移至高容量电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯，可提高使用效率，但是成本更高，电路复杂，可靠性低。未来随着电芯的一致性的提高，对被动均衡的需求可能会降低。

 

 

 

BMS均衡设计（被动均衡）

 

 

 

BMS均衡设计（主动均衡）

 

BMS软件架构

 

1、高低压管理

 

一般正常上电时，会由VCU通过硬线或CAN信号的12V/24V来唤醒BMS，待BMS完成自检及进入待机后VCU发送上高压指令，BMS控制闭合继电器完成上高压。下电时VCU发送下高压指令后再断开唤醒12V。下电状态插枪充电时可通过CP或A+信号唤醒。

 

2、充电管理

 

(1)慢充

 

慢充是由交流充电桩(或220V电源)通过车载充电机将交流转化为直流给电池充电，充电桩规格一般有16A、32A和64A，也可通过家用电源进行充电。可通过CC或CP信号唤醒BMS，但应保证充电结束后能正常休眠。交流充电流程比较简单，按照国标详细规定开发即可。

 

(2)快充

 

快充是由直流充电桩输出直流给电池充电，可实现1C甚至更高倍率充电，一般45min可充进80%电量。通过充电桩的辅助电源A+信号唤醒，国标中快充流程比较复杂，同时存在2011和2015两个版本，而且充电桩生产厂家对于国标流程未明确的技术细节理解不同也给车辆充电适配性造成极大的挑战，因此快充适配性是衡量BMS产品性能的一项关键指标。

 

3、估算功能

 

(1)SOP(StateOfPower)主要是通过温度和SOC查表得到当前电池的可用充放电功率，VCU根据发送的功率值决定当前整车如何使用。需要兼顾考虑释放电池能力和对电池性能进行保护，比如在达到截止电压前进行部分功率限制，当然这会对整车驾驶感受产生一定影响。

 

(2)SOH(StateOfHealth)主要表征当前电池的健康状态，为0-100%之间数值，一般认为低于80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示，用容量时即通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池衰减时其他模块的估算精度。

 

 

 

（电池不同SOH状态下的应用）

 

(3)SOC(StateOfCharge)属于BMS核心控制算法，表征当前的剩余容量状态，主要通过安时积分法和EKF(扩展卡尔曼滤波)算法，并结合修正策略(如开路电压修正，充满修正，充电末端修正，不同温度及SOH下的容量修正等)。安时积分法在保证电流采集精度条件下比较可靠，但鲁棒性不强，由于存在误差累计必须结合修正策略，而EKF鲁棒性较强，但算法比较复杂，实现难度大。国内主流厂家一般常温可以做到精度6%以内，在高低温和电池衰减时的估算是难点（估算不准容易造成预计可行使里程跟实际可用里程不符，在高速行使中是非常危险的）。

 

(4)SOE(StateOfEnergy)算法国内厂家现在开发的不多，或采用较为简单的算法，查表得到当前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于剩余续航里程估算。

 

4、故障诊断

 

针对电池的不同表现情况，区分为不同的故障等级，并且在不同故障等级情况下BMS和VCU都会采取不同的处理措施，警告，限功率或直接切断高压。故障包括数据采集及合理性故障、电气故障(传感器和执行器)、通讯故障及电池状态故障等。

 

5、均衡控制

 

均衡功能是为了消除在电池使用过程中产生的电池单体不一致性，根据木桶短板效应，充电和放电时都是性能最差的单体先达到截止条件，其他的单体还有一部分能力并未释放出来，造成电池浪费。

 

均衡包括主动均衡和被动均衡，主动均衡是能量从多的单体向少的单体转移，不会造成能量损失，但是结构复杂，成本较高，对于电器元件要求也较高，相对来说被动均衡结构简单，成本也低了很多，只是能量会以热量的形式散发浪费掉，一般最大均衡电流在100mA左右，现在国内很多厂家采用被动均衡也都能实现较好的均衡效果。

 

斑斓更

好贴，顶顶

walker2048

学习了

Jacktang

BMS核心控制算法还是要好好学习的