如何平衡电动汽车电池管理系统的效率和稳定性?你只需做好这三点
2020-7-29 来源:汽车电子应用
电动汽车电池管理系统是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,它将电池或电池组的监测及管理集于一体,从而确保电池或者电池组的安全可靠,并以最佳状态输出动力。

新能源车与传统汽车最大的区别是用电池作为动力驱动,因此动力电池可以说是新能源车的核心。电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,它将电池或电池组的监测及管理集于一体,从而确保电池或者电池组的安全可靠,并以最佳状态输出动力。

对复杂而繁多的电池组进行有效的控制与管理,才能突破电动汽车推广普及的瓶颈。如果不能进行适当的控制,能量的存储和释放会导致电池灾难性故障。故障可能来自机械应力或损坏,以及以深度放电、过度充电、过电流和热过应力等形式表现出的电气过载。为了尽可能提高效率和安全性,高性能模拟芯片厂商ADI基于长期积累的汽车电气化广泛经验,推出了能够为电池管理提供更高可靠性和安全性的系统级解决方案。

(图1)

BMS是这样对电池系统进行监控

电动汽车的电池系统层级较多,从各种电芯最基本的底层到模块层,到电池包层,再装到车上,组成一个车级应用,车还会跟电网有相应的交互。电池管理中,400V 的电池有接近 96 节或者 100 节的串联电芯(电池组中的电池节数越多,所达到的电压就越高)。所有电池的充电和放电电流都相同,但是必须对每节电池上的电压进行监控。为了容纳高功率汽车系统所需的大量电池,通常将多节电池分成几个模块,并分置于车辆的整个可用空间内。典型模块拥有10到24节电池,可以采用不同配置进行装配以适合多个车辆平台。模块化设计可作为大型电池组的基础,它允许将电池组分置于更大的区域,从而更有效地利用空间。

针对电池组监控IC产品,目前ADI已经迭代至第五代产品,相应的技术可以提供 12 通道,15 通道,或18 通道的产品(从LTC6811到LTC6813 的产品系列)去应对客户的不同需要,在确保隔离通信的基础上,再把相应电芯的电压和温度信息给到电池管理的主控芯片做相应的测量。

(图2. 服务各种电池使用场景)

下图显示了一个典型的具有 96节电池的电池组,分为8个模块,每个模块12个电池单元。在本示例中,电池监控器IC为可测量12节电池的LTC6811。该IC具有0 V至5 V的电池测量范围,适合大多数电池化学应用。可将多个器件串联,以便同时监测很长的高压电池组。该器件包括每节电池的被动平衡。数据在隔离栅两边进行交换并由系统控制器编译,该控制器负责计算电池的充电状态(SOC)、控制电池平衡、检查电池的健康状态(SOH),并使整个系统保持在安全限制内。

(图3. 分为8个模块的电池组)

如何提升BMS的监控效率?

· 高精度有助于提高电池的性能和使用寿命

精度是BMS的一个重要特性。以下图为例,为了防止过度充电和放电,电池单元应保持在满容量的10%到90%之间。在85kWh的电池中,可用于正常行驶的容量仅为67.4 kWh。如果测量误差为5%,为了继续安全地进行电池运行,必须将电池容量保持在15%至85%之间。总可用容量已从80%减少到了70%。如果将精度提高到1%(对于LiFePO4电池,1 mV的测量误差相当于1%的SOC误差),那么电池现在可以在满容量的11%到89%之间运行,增加了8%。使用相同的电池和精度更高的BMS,可以增加每次充电的汽车行驶里程。

(电池充电限制)

测量精度高的最终结果是什么呢?比如一扎啤酒中,类似于把啤酒上的泡沫减少(浪费掉的那部分电量尽量减少),留下我们可以喝的美酒的部分尽量多(能使用的电量尽量多)。也就是用高精度的测量技术,使得相应的可用的电量最大化,拥有更多的续航里程。

· 主动和被动电池平衡可实现安全高效的电池管理

即使能精确地制造和选择电池,它们之间也会显示出细微的差异。电池之间任何的容量不匹配都会导致电池组整体容量的减少。显然,电池组中最弱的电池支配着整个电池组的性能。

电池平衡是一种通过在电池充满电时均衡电池之间的电压和SOC来帮助克服此问题的技术,该技术通常分为被动和主动两种。被动技术拥有较低的成本和复杂度,然而其较大的能量损耗会带来更复杂的热设计。主动平衡则会在模块的其他电池之间重新分配多余的能量,这样可以回收能量并且产生更低的热量。

下图显示了采用 LT8584实现的主动平衡。该架构通过主动分流充电电流,并将能量返回电池组来解决被动分流平衡器存在的问题。能量并没有以热量的形式发生损耗,而是被重新利用,为电池组中的其余电池充电。该器件的架构还解决了一个问题,即当电池组中的一节或多节电池在整个电池组容量用尽之前就达到较低安全电压阈值时,会造成运行时间减少。只有主动平衡才能将电荷从强电池重新分配到弱电池。这样可以使弱电池继续为负载供电,从而可从电池组中提取更高百分比的能量。

(图5. 采用主动平衡的12节电池的电池组模块)

· 将数据稳定地传递到BMS控制器

无线BMS是一种新颖的架构,其中每个模块的互联都通过无线连接方式实现,使得电池的全生命周期管理都可以获得监控。然而由于恶劣的EMI环境以及RF屏蔽金属构成的信号传播障碍,无线通信成为一个难题。

ADI的 SmartMesh® 嵌入式无线网络在工业物联网(IoT)应用中经过了现场验证,可通过运用路径和频率分集来实现冗余,从而在工业、汽车和其他恶劣环境中提供可靠性超过99.999%的连接。

除了通过创建多个冗余连接点来改善可靠性之外,无线Mesh网络还扩展了BMS的功能。SmartMesh无线网络可实现电池模块的灵活放置,并改善了电池SOC和SOH的计算。这是因为可以从安装在以前不适合布线之处的传感器收集更多的数据。SmartMesh还提供了来自每个节点的时间相关测量结果,从而可以实现更加精确的数据收集。下图显示了有线互联和无线互联电池模块的比较。

(图6. 电池监控互联方式比较)

同时,基于这种无线通信的技术,电池里面也有了自己的无线身份证,会知道它的可用电量衰减到什么样的程度,以便于评估残值。如果这个电池不再适合车用,还可以二次利用,比如变成一个大楼的备用电源或者数据中心的备用电源,这也是一个未来发展的方向,通过无线 BMS 系统使得监控系统可以和电池进行全生命周期的绑定,变成一个身份证。

(图7. 无线BMS使能电池二次利用)

总结

电池作为新能源汽车的关键部件,需要极高的稳定性保障。ADI 在芯片级给予汽车长续航、高性能的支撑,同时能够提供系统级的解决方案,从相应电压电流的检测功能性到对功能安全以及电池回收再利用的全面支持,为新能源汽车产业的健康发展保驾护航。

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