详解电动汽车的电池管理系统，电动汽车电源管理技术的最新进展
来源：宝鄂实业
2019-03-27 14:14
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由于汽车电气化的水平发展，乘用车用电池管理系统，未来可以在低压启动电池(12V&48V)和高压HEV电池(1kwh~1.5kwh)和PHEV电池(4～18kwh)和BEV电池(20～85kwh)等电池系统里面看得到。低压系统和高压系统差异很大。电池系统差异在各个车厂和各个应用平台之间都比较大，各个企业有自己的风格，本文主要通过对不同厂家的产品做资料分析，根据各个车厂未来应用的内部的电池管理系统按照目前的模块化策略，来整合分析电池管理系统。应该说未来各家车厂设计理念的演变，使得高压电池系统是有一定的相似性的，这里主要叙述高压电池包里面的电池管理系统的一些情况。整篇文章将涵盖电池管理系统结构、集中式管理系统案例分析、分布式管理案例分析和产品设计的几点考虑几个部分。限于本人的水平和对案例的认知有限，难免有些偏差或者错误，在这里仅是抛砖引玉，请各位读者海涵。
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所能支持的最高的通道也是有限的。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(电池管理控制器)、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I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander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。缺点是成本较高，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高，但是移植起来最方便，属于单价高开发成本低的典型，电池包可大可小。
3)半分布式管理系统(BMU+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高一些，是三种方案里面成本较高的方案。
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之后，我们可以进一步对各个部件进行硬件和软件的定义
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，工作时间最高不超过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10950～32850小时 2～6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，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=>5840 小时 2小时每天的开车时间+116800～23360小时 4～8小时每天的充电时间。
2)环境负荷分析
电池管理系统，由于有高压部分和低压部分，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。
1)本文还是对乘用车用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。
拯救我们的地球，让地球远离污染！这是世界各地的科学家和有识之士对降低温室气体排放的一致呼声。由化石燃料内燃机驱动的汽车是罪魁祸首。虽然推动汽车行进的替代技术有很多种，但目前唯一可行的方案是：电动汽车。
电动推进技术需要在汽车中集成一种全新架构的动力传动系统，这种新增加的组件要求对相应的系统部件进行多学科的深入研究。电动汽车系统由电动马达、电力转换器和储能器件如锂离子电池组成。这种新的架构系统必须经过优化来最大限度地提高系统效率，使汽车一次充电能够达到最长的行驶距离。电子技术的这些发展为减少交通运输的排放创造了条件。
电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)
电动汽车(EV)靠电池行驶，混合动力汽车(HEV)也一样，只是它还利用一个化石燃料点火的内燃机作为辅助。给这些汽车供电的技术要想获得成功并拥有美好的未来，能效是关键，因此需要智能的电源管理机制，最大限度地提高将电池能量转换为车轮机械驱动力的效率，从而增加单次充电的行驶距离，同时不增加碳排放，理想情况下更是显著降低碳排放。
电动汽车的碳化硅(SiC)电源
电动汽车的重量、体积和成本以及单次充电的行驶距离与电力转换系统的效率直接相关。SiC电源部件非常适合在汽车常见的高温环境中工作。让我们仔细看看碳化硅电源部件在提高系统效率方面的作用。
更轻的重量意味着里程数的延长。降低电源转换系统的重量、成本和尺寸的一种典型方式是提高开关稳压器的开关频率。我们知道，在较高频率点工作时，电感、电容和变压器等有源元件的尺寸和重量可以缩小。拥抱碳化硅(SiC)解决方案吧。
虽然硅(Si)电源器件也能工作在高频，但SiC的优势是能够处理比Si高得多的电压。SiC是一种宽带隙的半导体器件，而较宽的带隙意味着较高的临界电场(临界电场是关断状态下的阻塞电压)。宽带隙(WBG)SiC器件的高压能力允许它们具有更低的导通电阻，从而实现更快的开关速度和单极性工作状态，部分原理是其载频需要被加速至高得多的速度(更高的动能)来克服更宽的带隙。
虽然砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场，也是针对大功率解决方案的改进型器件，但SiC还有其它一些优势，诸如更高的最大工作温度，很高的德拜温度，很高的热传导性(在多晶SiC中)，在电场中实现快速开关和低电阻率的高载流子饱和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)带来的更低的生产成本，以及很高的阈值能量带来的更具鲁棒性的抗辐射性能。
SiC器件在电动汽车中有许多关键应用。现有的电力牵引驱动装置能够将85%的电能转换为机械能来驱动车轮，这个效率是相当高的，但SiC也能帮助提高效率。电能转换器能够受益于效率的改进，因为它能将电池能量传递给发动机，而且能够在电池充电器电路和任何需要的辅助电源中使用(图1)。
氮化镓(GaN)对于电动汽车的电源改进也功不可没。电机驱动和直流/直流控制中广泛使用的IGBT一直是基于硅的产品。这些设计的开关时间通常在10kHz至100kHz数量级，而GaN器件的开关时间可以达到纳秒级，并且能够轻松地工作在200℃的汽车环境下。
就像SiC一样，GaN器件由于具有更高的开关速度，因此也能缩小电源架构中电感、电容和变压器的尺寸，还能因无源器件尺寸的缩小而减少总的体积和重量。
我们将根据电动汽车电池的化学成分分析它们的功效，比如基于锂的化学成分以及具有高能量密度的NiMH。如前面SiC器件部分所述，为了使一次充电能够行驶更长的距离，同样需要提高电源转换架构的效率。
硅器件的开关速度和最小导通电阻已经达到最大极限，GaN似乎是超越这些极限的一种可行的方案。实验表明，如果开关频率可以提高5倍，电感和电容的体积就可以缩至五分之一。今天的GaN技术可以支持很高的速度。
GaN功率器件在4个关键领域表现相当卓越：高温工作，更高的击穿电压，低导通电阻，适合更高工作频率的纳米级开关速度。在这些优势方面GaN与SiC类似，而它们的区别有两点：LED和射频晶体管一直使用GaN；许多硅制造工艺兼容GaN工艺，与SiC较高的基底成本相比，降低了晶圆成本及工艺成本。
由于早在2003年就解决了可靠性问题，因此今天的技术成就了已经投产的第一批GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。这些都是常态导通器件，因此0V的栅极电压将形成导通状态，小于0V的任何电压都将使器件关断。早期使用的是SiC基底，一旦Si基底能与GaN完美结合，生产成本就能显著降低。2014年实现的新的级联架构将常通器件变为了常断器件。
自那以后驱动技术得到了长足发展，集成度越来越高，电源逆变器也有了显著进步。GaN器件在电动汽车的电池充电器中也有不凡表现，这些充电器由交流/直流转换器加直流/直流转换器组成。这种组合就是一种功率因数控制器
