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動力電池BMS技術現狀分析

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-06-26 15:00:51 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:1152
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  為了保護電芯和整個電池包不受放熱反應的影響,需要一個電子安全電路,即電池管理系統(BMS)。BMS最重要的功能是安全防護,使電池系統中電芯的電壓、溫度和電流不超過規定的極限。一般來說,BMS是一種模擬和/或數字電子設備,預期可達到以下主要目標和要求:
  提高電池系統的安全性和可靠性。
  保護電芯和電池系統免受損壞。
  提高電池的能量使用效率(增加續駛里程)。
  延長電池壽命。
  基于以上要求可以派生出BMS的功能,這些功能可以分為五個領域:傳感和高壓控制、保護、接口、性能管理、診斷。
  在一個集中的BMS中,電芯監控單元、模塊管理單元和包管理單元被整合到一個單一的印刷電路板,它處理BMS所需的所有任務,并直接連接到電池。
  在模塊化BMS拓撲結構中,模塊管理單元被劃分為多個單獨的實例,這些實例可以放置在靠近電池模塊的位置,從而降低了布線的復雜性。模塊化拓撲的另一個高級變體是主從拓撲。在這里,從機的功能和元素被減少到最小,與整個電池系統相關的功能只在主機上實現。
  在本研究中,我們分析了29個不同制造商的40個商業BMS。39種BMS改型中,有37種來自西歐、北美、日本或中國的制造商。其中只有一家位于澳大利亞,其余一家位于韓國。
  分析發現這些產品中有18個具有集中的拓撲結構,有22個具有模塊化拓撲結構。此外,在22個模塊化BMS中,有20個旨在管理純電動汽車的電池組,而18個集中系統中有13個只適用于200V及以下的應用。
  盡管其中一些集中式BMS允許互連,從而建立更大的分布式拓撲,但高壓應用更可能由模塊化BMS組成,部分原因是與模塊化系統相比,在集中式系統中處理絕緣問題更具挑戰性。日產Leaf的360 V系統是個例外。然而,模塊化系統的一個缺點是需要大量的通信和電源電路,因此成本相對較高。
  分析表明只有7個BMS沒有明確打算在BEVs中應用,因此它們不能在高壓下工作。此外,7個中有5個是集中拓撲結構。
  在本研究中幾乎所有的BMS都至少使用一條CAN總線通信線路。CAN總線廣泛使用的原因可能是在汽車環境中易于與其他通常使用CAN通信的控制器連接。無線BMS可以用無線網絡取代模塊之間的內部通信,具有潛在的優勢包括減少組裝過程中的線束、連接器和布線工作。然而,無線BMS面臨的一個挑戰是汽車內部和外部實體電磁噪聲對無線網絡的干擾,可能會產生安全問題。
  在研制BMS過程中,為了保證電池系統的安全運行需要考慮多方面的因素。在過去的幾十年里,電氣和電子系統的硬件和軟件部分的開發出現了安全標準。
  本研究考慮將ISO 26262標準“道路車輛-功能安全”(源自通用工業標準IEC 61508)應用于BMS開發。
  鋰離子電池存在的問題
  在過去的十年中,鋰離子電池在能量密度和成本方面的持續改進,使得鋰離子電池成為電動汽車(EV)的首選能源。根據全球電動汽車展望2016年的報道,插電式混合動力汽車(PHEV)電池包的能量密度從2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L,顯著提高400%。另一方面,數據顯示同一時間段內成本從1000美元/千瓦時下降到268美元/千瓦時,降幅高達78%。
  在某些特定的情況下,整車廠宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成績。例如,通用汽車(General Motors)宣布,其雪佛蘭Bolt的電池成本在2015年10月降至145美元/千瓦時,預計到2022年將降至100美元/千瓦時以下。另一家著名的純電動汽車(BEV)制造商特斯拉(Tesla)的目標是在2020年之前打破100美元/千瓦時的障礙。2022年xEVs的實際目標:125美元/千瓦時、400 Wh/L和250 Wh/kg,這將使新能源汽車實現對傳統內燃機汽車(ICEV)的成本競爭力,并具有前所未有的續駛里程。
  然而,盡管鋰離子電池技術在過去的十年中表現出色,主要是因為其良好的能量和功率密度,但它既不是一項成熟的技術,也不是在所有可能的運行條件下都是安全的。鋰離子化學非常容易受到溫度、過電壓、深放電和過電流等條件的影響,這些條件在實際應用中可能對電池造成損傷,因此鋰離子電池需要復雜的安全管理技術,此外隨著能量密度提升電池的風險越來越高。
  隨著研究的不斷深入,熱失控已被確定為鋰離子電池的主要安全隱患。熱失控往往是在濫用的條件下造成的,例如過熱、深度放電、大倍率充電特別是低溫時的大倍率充電、大功率脈沖、擠壓,導致內部或者外部短路。在能源儲存系統中有效和安全地利用,鋰離子技術除了易受極端使用條件下的影響外,還必須考慮如下因素:
  為了給電動汽車驅動系統提供所需的電壓和電流,許多鋰離子電池必須串聯或/和并聯,因此需要確保高壓安全和維護安全。
  鋰離子電池容量會隨著使用壽命的延長而衰減,內阻也會增加,這種現象被稱為老化,有循環老化和日歷老化之分,周圍介質的溫度、電池包內溫度梯度都會影響老化過程。
  串聯鋰離子電池在正常運行過程中老化特性的擴展,以及電池自放電速率的差異,導致電池電荷不均衡。這種不均衡降低了電池包的可用總容量,要么是因為電荷最少的電芯決定了放電的結束(即使其他電池包中仍然存儲著可用的能量),要么是因為電荷最多的電池決定了充電過程的結束。忽略這兩種極端情況最終會導致深度放電或過充,這可能導致熱失控現象的發生。更重要的是電池容量的降低將導致更頻繁的循環從而縮短電池壽命,因此需要均衡電池包中串聯電芯之間的電荷。
  BMS相關研究課題
  解決上文提到的問題是BMS的永恒研究課題。文獻報道了電芯建模領域的發展,該模型能夠對電芯和電池包進行有效監測。電芯監測主要關注電芯內部狀態的準確測定:荷電狀態(SOC)——衡量電池包實際能量含量和充電不均衡的主要指標;健康狀態(SOH)——基于電芯的容量或內阻,衡量電池的老化;或功能狀態(SOF)——描述電池在使用過程中如何滿足應用的需求,例如功率需求、起動能力或充電接受能力等。此外,關于電芯均衡及其對電池壽命的影響的研究活動在科學文獻中也被發現具有同等的相關性。
  雖然目前在鋰離子電池中已經投入了大量的努力來緩解上述問題,但安全性本身是一個至關重要的研究課題。大量的資源被用于實現正確理解和復現熱失控、鋰沉積、鋰枝晶產生、集流體溶解、產氣,以及環境和工況條件對上述現象的影響。目的是將當前最先進的被動安全管理轉變成一個能夠提前幾小時甚至幾天提供安全和危害相關信息模型來保證車輛司機的安全。當然,傳統的傳感策略——電芯電流、電壓和外部溫度在未來仍然不會被忽視。此外,還將考慮涉及電芯聲學和應變信息的新型傳感策略,以及基于電化學阻抗譜(EIS)的無傳感器內部溫度估計。
  但安全不僅包括分析和算法的實現、傳感策略和狀態估計(例如高電壓、電或熱管理),為了防止危險事件的發生,還包括采集、處理、存儲和數據通信,以及對專用傳感器和執行器的控制,如繼電器、預充和高壓互鎖電路、絕緣監測裝置等。
  BMS概述、分類和分析
  1、BMS功能和設計
  從電芯到電池包
  與內燃機車的汽油或柴油油箱不同,鋰離子蓄電池在密封的容器中同時含有氧化劑(陰極)和燃料(陽極)。在正常情況下,燃料和氧化劑以可控的方式將化學能轉化為電能,并且產熱和產氣都最小。然而在發生故障的情況下,或者如果電池在規定的極限(溫度、電壓和電流)之外運行,反應會很快失控并放熱。這可能導致熱失控,這是一個不可逆的過程,更多的熱量被直接釋放,而不是從電池外殼擴散。這一過程可能導致火災和爆炸,并將環境置于顯著的風險中。
  鋰離子蓄電池有三種不同的結構類型:袋式軟包電池、圓形電池和方形硬殼電池。在電芯的制造過程中,使用了不同的電芯化學成分、材料和添加劑。這些因素影響超出其規格限制時電芯的行為。鋰離子蓄電池越接近其規格極限,老化過程就越快,電池的壽命就越短。
  電芯的規范限制是不同的,充電結束電壓因所用的正極和負極材料而異。對于許多鋰離子和鋰聚合物蓄電池,放電結束電壓為2.5 V,充電結束電壓為4.2 V,均由電池化學性質決定。相比之下,石墨/磷酸鐵鋰(LiFePO4)的充電電壓只有3.7 V。此外,充電和溫度的規格限制因不同的電芯類型和電芯化學性質而異,并取決于電芯的生產過程,特別是功率型和能量型電芯。電池的電流負載取決于所用的添加劑、隔膜、陰極的鈷含量以及電池中的電流導體。
  根據應用的不同,可以使用單個電芯,也可以在模塊中串聯或并聯多個電芯。為了提高電壓,可將電芯串聯,為了提高容量,可電芯并聯為超級電芯,也可以并聯幾個模塊,電芯串并聯之后被稱為電池系統或電池包。在電池包中,連接可以是純串聯的,也可以是純并聯的,也可以是串并聯的,電壓水平和容量可以適應應用的具體要求,如混合動力電動汽車(HEV)、純電動汽車(BEV)或固定存儲應用。
  國際標準ISO 6469-3將高壓范圍定義為直流電壓為60V – 1500V,交流電壓為30V – 1000V(即B類電壓),要在這一高壓范圍內開展工作,需要有專門的培訓和證書。因此電池模塊的設計通常是一個模塊的總電壓小于60V,使得電壓A類。這使得在生產和運輸過程中無需采取高成本的安全措施就可以處理模塊。
  綜上所述,電池可以看作是由電芯、模組、電池包三層組成的層次結構:
  電芯:基本元素,鋰離子電池的化學性質使其電壓約為3V至4V;
  模塊:串聯和/或并聯的集合,電壓通常小于60V;
  電池包:由模塊串聯或并聯構成,電壓可達1000 V。
  BMS需求和功能
  BMS最重要的任務安全功能,即使電池系統中的電芯在電壓、溫度和電流方面不超過規定的極限,電芯的這些規范限制通常稱為其安全操作區域(SOA)。
  一般來說,BMS是一種模擬和/或數字電子設備,符合以下基本要求:
  數據采集。
  數據處理和數據存儲。
  電氣管理。
  溫度管理。
  安全管理。
  通信。
  對于電動汽車來說,BMS的關鍵目標和要求如下:
  提高電池系統的安全性和可靠性。
  保護電芯和電池系統免受損壞。
  提高電池的能源使用效率(提高續駛里程)。
  延長電池壽命。
  前兩項是安全要求,后兩項是使用要求。
  可以從這些需求派生出BMS的各個功能,這些功能可以分為以下五個方面:
  ①檢測和控制:BMS必須測量電池電壓、溫度和電流。它還必須檢測絕緣故障,控制接觸器和熱管理系統。
  ②保護:BMS必須包括電子和邏輯,以警告或保護電池供電系統和電池包的操作員,通過附加的冷卻或加熱系統防止過充、過放電、過電流、電池短路和極端溫度。
  ③接口:BMS必須定期與使用電池包作為電源的應用通信,報告可用的能量和功率,以及電池包狀態的其他指標。此外,它必須在永久內存中記錄異常錯誤或濫用事件,以便技術人員通過偶爾的按需下載進行診斷。
  ④性能管理:BMS必須能夠估計充電狀態(SOC),最好是對電池包中的所有電芯進行估計,計算電池包的可用能量和功率限制,并均衡電池包中的電芯。
  ⑤診斷:最后BMS必須能夠估計健康狀態(SOH),包括檢測濫用,并且可能需要估計電芯和電池包的剩余使用壽命。
  BMS子系統和拓撲
  電池的最終物理結構決定實現電池管理系統的架構選擇,每一層將在BMS的功能中形成一個子集:
  在最低層是電芯采集單元(CMU),每個CMU連接到一個單獨的電芯,或多個并聯連接的電芯,并測量電芯電壓和溫度,并提供均衡功能。
  中間層是模組管理單元(MMU),分組為多個CMUs,并為最高層提供比CMU更高級別的功能。
  最高層是電池包管理(PMU),功能為監控電池包并與應用之間進行通信,通常通過CAN總線通信。
  這種分類可以分為三種架構拓撲:
  ①集中式:在集中式BMS中,所有三層都組合在一個實體中,BMS直接連接到所有的電芯。由于需要大量的連接,集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于電池包的總電壓存在于輸入端,這種情況下很難滿足隔離要求。


  圖1 集中式BMS拓撲
  ②模塊化:在模塊化的BMS中,多個MMUs(具有自己的CMUs)與單個PMU通信。MMUs靠近電芯,降低了布線的復雜性。MMU通過一個隔離的接口與中央PMU通信,避免了集中式BMS的隔離問題。一種常見的變體是MMU/CMUs被縮減到最小的度量和均衡單元(從板),并與中心PMU(主板)通信。


  圖2 模塊化BMS拓撲
  ③分布式:在完全分布式的體系結構中,多個PMU控制它們自己的電芯,它們可以相互通信,但彼此獨立運行。在最極端的情況下,每個電芯都配備了一個微控制器來跟蹤SOC,決定均衡、旁路電芯等動作,這種拓撲結構提供了最高的靈活性和可伸縮性,但具有很高的復雜性和成本。
  大多數商業BMS采用模塊化拓撲結構,因為它們在復雜性、成本和靈活性之間提供了最佳的折衷。
  高壓電池包組成
  除了BMS的功能外,對BMS的比較和分析還需要對高壓(HV)電池組的結構有基本的了解。因此,在本節中,簡要介紹了電池組的典型部件,并對它們之間的關系進行了圖示。
  純電動汽車(BEV)的電池包由電池模塊、一個BMS、一個冷卻系統、一個電池斷開單元(BDU)、外殼以及用于高壓和數據連接的接口組成。這些組件的示意圖如圖3所示,其中BDU稱為“開關盒”(有時BDU或開關盒也稱為“電池接線盒”)。


  圖3 高壓電池包的主要部分
  在圖3中,每個電池模塊上都有一個BMS從屬模塊,它執行直接的電池監視并連接到BMS主模塊。除了將電池組電壓切換到外部的高壓接觸器外,BDU還包括一個保險絲、一個總電壓和總電流傳感器、一個預充電電阻和一個等壓表。預充電電阻限制涌進電流,等壓表檢查殼體或車身是否與高壓部件充分隔離。BMS還可以通過控制加熱器保持其最低工作溫度,或控制風扇或液體冷卻系統使其低于最高工作溫度,從而主動管理電池組的溫度。
  BMS集成電路
  BMS使用集成電路(ICs,也稱為微芯片)來實現其功能。用于BMS的ICs可分為提供測量電芯的電壓和溫度電池傳感器ICs,和使用傳感器的值以確定電池組的狀態和保護電芯免受安全操作區域之外操作單片機ICs。
  有幾種集成電路用于測量電池參數(電壓、溫度和電流),它們在測量精度、功耗、占用空間和成本方面有所不同。
  電池管理應用的電芯監測集成電路的常見制造商包括:
  Linear Technology:線性技術的LTC6802、LTC6803和LTC6804產品線,可以處理多個電芯的化學反應,并測量多達12個電芯的0 - 5V電壓。它是專為混合動力汽車牽引包設計的。
  Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600產品線是專門為汽車應用程序設計的,可以監控多達12個鋰離子電池。
  Maxim:Maximd的MAX14920、MAX14921系列可處理3-16個鋰離子電池。
  德州儀器:德州儀器是小型鋰離子電池集成電路的實際領導者,如手機和筆記本電腦。
  Analog Devices:AnalogDevices的AD7280鋰離子監測IC類似于Linear Technology的芯片。
  電池傳感器集成電路通常采用所謂的多路復用結構,將每個電池(輸入對導線)的電壓依次轉換成單個模擬或數字輸出線路,而不是并行地監視所有的連接單元。這種方法降低了成本,但它的缺點是一次只能監視一個電芯電壓,可能會由于采樣而丟失重要信息。然后需要一種高速開關機構將輸出線切換到每個電芯,以便能夠以足夠的頻率連續監視所有電芯。
  電池主控制器集成電路
  電池管理系統中微控制器常用的芯片架構包括:
  ARM Cortex:Cortex M0、Cortex M1和Cortex M4是一組用于嵌入式微控制器的處理器核心。Cortex-M4核心可選地包括浮點單元。制造商包括Atmel、Microchip、STMMicroelectronics、NXP、Texas Instruments和英飛凌。
  MIPS 4K:MIPS是嵌入式系統的模塊化微控制器體系結構,支持可選的協處理器和浮點單元。為MIPS提供了廣泛的嵌入式開發工具。例如pic32處理器系列的微芯片。
  TriCore:TriCore是英飛凌的雙核32位微控制器架構,它是專門設計用于汽車和安全關鍵應用。
  68000:68000是一個32位微處理器架構,最初由摩托羅拉開發,制造商包括德州儀器、西門子和NXP。
  BMS計算和軟件架構
  與其他嵌入式控制系統類似,BMS實現通常遵循多層體系結構。這意味著BMS軟件功能可以分為不同的層:
  底層用于設備驅動程序和硬件接口例程。
  中間層提供通信協議的實現和物理測量的解釋。
  上層用于高級電池計算,如充電狀態和功率限制計算。
  頂層應用程序層負責根據較低層提供的信息進行決策。
  這種多層方法及其抽象層的嚴格使用極大地提高了BMS軟件代碼的可重用性和可維護性。例如,根據SOC決定連接或斷開電池的應用程序不需要有關SOC如何計算的信息,實際上,在不同的應用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此,SOC計算算法不需要了解如何處理其輸入(溫度、電壓、電流)的細節。更一般地說,如果維護分層體系結構,則可以修改任何層,從而限制相鄰層的結果。
  大多數BMS軟件架構為BMS的不同功能實現了一個多任務環境。這種環境可以是簡單的循環任務調度程序,也可以是更復雜的、完全搶占式的多任務操作系統。BMS是安全性優先的系統,以確保任務負責的安全功能,如電壓測量和相關的過度充電和過放電保護、溫度和電流測量和接觸器驅動——及時執行。在一個搶占式的多任務環境中,任務可能被暫時中斷,以執行其他任務,然后在稍后恢復,因此至關重要的是,對安全至關重要的BMS任務不會顯著延遲。為了確保實時功能,幾個BMS實現建立在像FreeRTOS或μC / OS-II實時操作系統(RTOS),切換任務基于優先級,并且可以提供接受并完成特定任務的時間擔保。
  2、可用BMS的概述及其分析
  本節旨在概述目前市場上可用的電池管理系統,重點介紹電動汽車(EV)的應用。然后根據上一節定義的關鍵參數和拓撲變體對這些電池管理系統進行分類和分析。
  應該指出的是,很難對目前用于商業或學術目的的各種BMS進行概述,原因如下:首先BMS有不同的應用場景,因此市場上可用的BMS通常應用場景是高度適配的。第二很少有信息是公開的,特別是對于大型OEM廠商和供應商用于BEV和HEV的BMS,如大眾、豐田、雷諾-日產和特斯拉,雖然它們的車型已達到大規模生產水平,但是涉及到拓撲、關鍵規格、軟件架構等等重要技術信息仍然保留在這些廠商手里。本研究的目的是盡可能收集至少關于歐洲目前市場份額最大的電動汽車的BMS信息,然而對于許多受歡迎的EV車型,包括大眾e-Golf、奔馳電動B級轎車、雷諾Zoe、雪佛蘭Bolt、現代Ioniq、歐寶、比亞迪、大陸集團、Epower電子、本田、現代Kefico,由于不可能收集足夠詳細的技術信息,因此對比仍然是不完整的。
  相比之下,專注于BMS原型小型制造商和工程公司,小批量和試點系列產品,往往提供足夠詳細的有關他們的BMS技術規格和結構的信息,因此本報告的分析主要集中在這個商業領域。此外,還有一些BMS平臺——包括來自Altera、Fraunhofer和LION Smart的電池管理系統(使用開源開發策略,主要專注于研究和早期原型設計)。
  可分析BMS列表
  根據對BMS市場現況的研究,現按英文字母順序整理出以下32種BMS:
  #1. Ashwoods Energy’s BMS (Vayon)
  #2. AVL’s BMS
  #3. Calsonic Kansei’s Nissan Leaf-BMS
  #4. Delphi Automotive PLC BatteryManagement Controller
  #5. DENSO’s Toyota Prius PlugIn-BMS
  #6. Elite Power Solutions’ EnergyManagement System
  #7. Elithion’s Lithiumate Pro
  #8. Electric Vehicle Power SystemTechnology Co., Ltd’s (EVPST) BMS-1
  #9. Ford Fusion Hybrid’s BMS
  #10. Hitachi’s Chevrolet Malibu Eco-BMS
  #11. I + ME ACTIA’s BMS
  #12. JTT Electronics LTD’s S-line
  #13. JTT Electronics LTD’s X-line
  #14. LG Chem’s Chevrolet Volt-BMS
  #15. Lian Innovative’s BMS
  #16. Lithium Balance’s S-BMS
  #17. Lithium Balance’s S-BMS 9-16
  #18. Manzanita Micro’s Mk3x-line
  #19. Mitsubishi iMiEV’s BMS
  #20. Navitas Solutions’ Wireless BMS(WiBMS)
  #21. Orion BMS - Extended Size
  #22. Orion BMS - Junior
  #23. Preh GmbH’s BMW i3-BMS
  #24. REAPsystems’ BMS
  #25. Sensor Technik Wiedemann’s (STW) mBMS
  #26. Tesla Motors’ Model S-BMS
  #27. Tritium’s IQ BMS
  #28. Valence U-BMS
  #29. Ventec SAS iBMS 8-18S
  開放研究和原型平臺
  #30. Altera’s BMS
  #31. Fraunhofer’s foxBMS
  #32. LION Smart’s Li-BMS V4
  按照關鍵參數、架構和其他顯著特征對上述BMS進行了分析。表1.1給出了分析特征的完整列表。
  表1.1 BMS的分析特征列表
  #1. Ashwoods Energy’s BMS (Vayon)
  Ashwoods Energy的BMS是一個模塊化系統,包括多個電池管理模塊(BMM)、一個系統接口模塊(SIM)和一個CAN電流傳感器(CCS)。BMM結合了PMU的SOC估計、MMU的均衡和CMU的電壓和溫度測量功能,而SIM只顯示PMU特性,它需要與外部控制器通信,并啟用充放電模式,CCS是用來測量高達1000伏電池組電流和驅動接觸器的。該BMS的應用領域均為電動汽車。此BMS的關系圖如圖4所示。
  圖4 AshwoodsEnergy BMS框圖
  #2. AVL’s BMS
  AVL的模塊化BMS由電池控制單元(BCU)和模塊控制單元(MCU)兩層組成,適用于所有汽車應用。當MCU測量電池電壓和溫度時,BCU負責控制這些并執行所有PMU功能。系統最大電壓為800V。
  #3. Calsonic Kansei’s Nissan Leaf-BMS
  安裝在尼桑Leaf上的BMS為集中式架構,所有CMU、MMU和PMU的要求都是通過一塊控制360 V系統的電路板來實現的,這對于純電動汽車的電池來說是很少見的。
  #4. Delphi Automotive PLC BatteryManagement Controller
  德爾福的模塊化BMS由一個混合動力和電動汽車控制器和幾個電池管理控制器組成。混合動力和電動汽車控制器作為電池和外部車輛控制器之間的網關,而電池管理控制器為450 V電池系統提供BMS的所有重要功能。
  #5. DENSO’s Toyota Prius PlugIn-BMS
  豐田在其插電普銳斯中使用了電裝的模塊化主從式BMS。有4個從控,監視56個串聯電池,電池的總包壓為207 V。這款BMS的一個特點是與其他所有系統相比實現了主動均衡。
  #6. Elite Power Solutions’ EnergyManagement System
  該公司提供了一個典型主從拓撲結構的BMS。主處理器稱為EMS-CPU,包含所有PMU功能,并控制大量4SB-V7、4SB20-V2或4SB200-V7測量板,這些是滿足MMU和CMU特點的從板。系統總電壓高達500伏,能夠用于BEV、PHEV和HEV電池。
  #7. Elithion’s Lithiumate Pro
  Elithion將BMS的任務劃分為兩個部分,一個是稱為Lithium Pro Master的PMU控制器,另一個是用于單個電芯的多個cell-boards(CMU+MMU),或是用于多個電芯的multiple cell-boards(CMU+MMU),最多可處理16節串聯電芯。最大電池包電壓可達840 V,可適用于所有電動汽車。
  #8: Electric Vehicle Power SystemTechnology Co., Ltd. – EVPST – BMS-1
  BMS-1包含一個具有PMU特性的控制模塊(CM)和多達四個具有MMU和CMU特性的測試模塊(TM)。圖5顯示了該BMS的框圖。
  圖5 EVPST BMS-1框圖
  #9: Ford Fusion Hybrid’s BMS
  福特采用單一的集中式BMS,滿足了Fusion混合動力車的所有電池相關任務,電池中76個串聯電芯加起來的總系統電壓為275 V。
  #10: Hitachi’s Chevrolet Malibu Eco-BMS
  32個串聯電芯組合在Malibu Eco電池包,總壓為115V,該系統由一個單一的集中式BMS監管。
  #11: I + ME ACTIA
  I + ME ACTIA的BMS由一個主板和6個從板組成,其拓撲結構顯然是一個模塊化的主/從架構,旨在用于不同的EV。
  #12: JTT Electronics Ltd. S-line
  JTT Electronics為汽車應用提供了兩種不同的系統:S系列BMS由4個不同的集中式獨立模塊組成,適用于小型不同的電池規格(S1、S2、S3、S4),電壓分別為55、110、165和200伏。
  #13: JTT Electronics Ltd. X-line
  對于較大的車輛,或在一般應用中需要更高的電壓水平,JTT提供X系列,該系列結合了一個X-BCU主板和幾個X-MCUP從板來實現BMS的所有必要功能。
  #14: LG Chem’s Chevrolet Volt-BMS
  LG化學的模塊化BMS由一塊主板和四塊從板組成,為雪佛蘭的Volt電動汽車提供監測。
  #15: Lian Innovative’s BMS
  Lian的BMS使用模塊化架構,包括一個功率控制單元(PCU),一個中央控制器單元(CCU)和電芯板(CB),無論是InnoCab, InnoLess,或InnoTeg。功率控制單元測量電池組電壓和電流,并連接/斷開電池與負載/充電器的連接,中央控制單元管理所有牽引應用和高達900伏的剩余PMU任務。Innoless內部為無限電芯板,每塊板分別連接到一節電芯。InnoCab也做了同樣的事情,但是是有線的,而InnoTeg板是一個有線的解決方案,每塊板可以測量5節電芯。圖6為該BMS的框圖。
  圖6 LianInnovative’s BMS框圖
  #16: Lithium Balance’s S-BMS
  S-BMS系統由主板-電池管理控制單元-和監控板-本地監控單元組成。S-BMS和S-BMS 9-16顯示了一個傳統的主/從架構,在不同的板上具有MMU+CMU和PMU功能。然而,S-BMS能夠適用于高達1000V的電動汽車電池包。
  #17: Lithium Balance’s S-BMS 9-16
  相比之下,模塊化的S-BMS 9-16只能使用于總壓為48 V的電池包。監測由兩個本地監控單元和一個電池管理控制單元完成。
  #18: Manzanita Micro’s Mk3x-line
  Manzanita提供三種不同大小的集中式BMS——Mk3鋰電池BMS。每個系統的多個板可連用以增加系統的最大電池包電壓。總之這些BMS可以管理120 (Mk3x4smt)、240(Mk3x8)或254(Mk3x12)節串聯電芯,適用于任何汽車應用。
  #19: Mitsubishi iMiEV’s BMS
  三菱的BMS采用模塊化架構,由一個主板和11個從板組成。每個從板能夠監控8個串聯電芯,這使得三菱iMiEV的電池包總壓為330 V。
  #20: Navitas Solutions’ Wireless BMS(WiBMS)
  Navitas提供了一個可適用于所有電動汽車的模塊化BMS,包括一個主控和多個從控。該BMS的特點是從控和主控之間通過無線協議(無線局域網)通信,并有可能達到超過1000V的電池包電壓。圖7中顯示了該BMS的框圖。
  圖7 Navitas BMS框圖
  #21: Orion BMS – Extended Size
  Orion BMS是一個集中式系統,可以選擇連接多個串聯板(分布式拓撲結構),從而實現電壓高達2000V的更大系統。所有的電力牽引應用都可以使用該BMS進行管理。
  #22: Orion BMS – Junior
  Orion Jr BMS是一個較小的版本,不能形成分布式架構,設計用于包括48 V的輕型移動牽引裝置在內的應用。
  #23: Preh GmbH’s BMW i3-BMS
  Preh為寶馬i3提供了一個模塊化的BMS系統,包括一個主控板和8個從板。每個從板可以監控12個串聯電芯,共96個串聯電芯,電池包總電壓為360V。
  #24: REAP Systems’ BMS
  REAP Systems生產集中式的鋰電池BMS,能夠形成拓撲結構系統并應用于電動汽車,所有單板均可處理14個串聯電芯。
  #25: Sensortechnik Wiedemann’s – STW – mBMS
  STW的mBMS是一個模塊化的三部分系統。它的組成部分包括一個具有PMU功能的電池主監控器(SOC/SOH估計)和一個功率測量板(PMB)(電壓/溫度/電流控制),它還完成一些PMU任務,例如斷開開關、電流監測和幾個電芯采集電路(CSC)。該BMS的最大適用電壓為800 V,能夠用于所有電力牽引應用。圖8中顯示了該BMS的框圖。
  #26: Tesla Motors’ Model S-BMS
  另一個典型的模塊化、主從架構的例子是特斯拉汽車公司Model S的BMS。所有16個從控都能夠測量6個串聯電芯的電壓,從而得到一個400 V的系統,其中96個電芯連續工作。
  #27: Tritium’s IQ BMS
  Tritium的IQ BMS也代表了一種典型的主/從架構,其中有一個電池組管理單元(BMU)充當主單元,還有幾個電芯管理單元(CMU),它充當從單元。多達256個電池可以串聯起來形成一個1000V的電池組。
  #28: Valence U-BMS
  Valence提供了四種不同電池尺寸的集中系統變體:U-BMS-LV、U-BMS-LVM、U-BMS-HV和U-BMS-SHV。U-BMS-LVM允許多個單元連接到分布式系統,最高可達1000V。其他的用于150V(LV)、450 V(HV)或450 V (HV)的汽車應用。
  #29: Ventec SAS i-BMS 8-18S
  iBMS 8-18s是Ventec唯一用于小型電動汽車的BMS。它有一個集中的分布式結構,每個模塊處理18個單元,電池包總壓包壓限制在1000V。
  #30: Altera’s BMS
  Altera提供了一個靈活可以由客戶配置的基于fpga的控制平臺,從而提高了性能和效率。它能夠用卡爾曼濾波器估計96個串聯電芯的SOC、SOH。
  #31: Fraunhofer’s fox BMS
  Fraunhofer的fox BMS是一個靈活的基于fpga的BMS平臺,它通常與foxBMSmaster和foxBMS slave一起工作。但是也有可能不考慮從系統,從而得到一個集中式架構的系統,其中主模塊也包含CMU和MMU功能。
  #32: LION Smart’s Li-BMS V4
  LION Smart系統的BMS由主控模塊LION和多個從控模塊LION組成,采用典型的CMU/ MMU組合單元和單獨的PMU單元的模塊化系統結構。技術上可以連接16個從板,每個從板12個串聯電芯,最終形成一個電池高達800伏的電動汽車電池包。Li-BMS V4提供了一個基于客戶軟件調整的開放源代碼。
  硬件拓撲
  電池管理系統的一個顯著特點是其硬件拓撲結構。如上所述,這包括不同結構和組織板子,這些板子是完成管理系統的所有任務所必需的。首先,各種被檢測的制造商及其BMS被劃分為模塊化和集中化。此外,可以將集中式系統分組為可用于構建分布式拓撲的BMS和不能構建分布式拓撲的BMS(見表2)。
  表2 不同結構BMS
  接下來,分析了可用BMS列表的其他顯著特性。然而,由于缺乏一些BMS的技術細節,并不是所有必要的信息都是可用的,因此不可能得出所有這些特性的結論。
  拓撲與操作目的
  現有的BMS系統包括29個不同制造商的32個系統。已經發現,其中10個系統具有集中的拓撲結構,而22個系統具有模塊化拓撲結構。此外,這10個集中式BMS系統中的一些可以細分為不同的集中式變體。考慮到不同電壓等級集中式BMS的所有變體,在40個BMS中總共有18個集中式系統。由于模塊化架構不需要顯式不同的變體來實現對不同級別電池包電壓的控制,因此添加所需的PMU或CMU板就足夠了。如前所述,集中式系統為特定的需求提供了一種簡單且成本有效的解決方案,但可伸縮性有限。
  分析表明,只有7個BMS沒有明確打算在純電動汽車應用;因此它們不能在高壓下工作。其中5個具有集中的結構。此外,在分析中考慮的22個模塊化BMS中,有20個用于管理純電動汽車的電池組。18個集中系統中有13個只適用于200伏及以下的應用。
  盡管其中一些集中式BMS允許互連,從而建立更大的分布式拓撲,但高壓應用程序更可能由模塊化BMS處理,部分原因是與電壓級別低的幾個子系統相比,在集中式系統中處理絕緣問題更具挑戰性,日產Leaf的360 V系統是個例外。然而模塊化系統的一個缺點是需要大量的通信和電源電路,因此相對較高的成本。
  對于具有多個集中板實例的分布式系統,成本開銷甚至更高,因為板上不可避免地存在冗余組件。這可能就是為什么這種拓撲結構在本研究中沒有得到廣泛應用的原因。
  額外的應用
  不同的應用對BMS的要求似乎常常相似,因為列表中的許多BMS能夠在至少一個額外的操作上下文中工作。在30個批量生產的中試bms中,有25個除了用于汽車之外,還被廣告用于其他應用,如固定存儲、電源備份或海上交通工具。
  電芯化學
  使用具有不同電芯化學性質的BMS的主要限制因素是每個CMU通道可測量的最大電芯電壓。鋰鐵磷電池的最大電壓為3.65伏,是所有鋰離子電池化學反應的最低電壓之一,而廣泛分布的鎳錳鈷電池的最大電壓為4.2伏。因此,所有鋰鐵磷電池都可以由任何列出的鋰離子BMA管理。在分析的30個試點批次電池管理系統中,有28個可以運行所有常見的鋰離子電池化學成分,只有兩種系統專門用于鋰鐵磷酸鹽電池。
  通信接口
  幾乎所有經過考慮的BMS都至少使用一條CAN總線通信線路,只有Manzanita Micro(#18)和Navitas Solutions(#20)的BMS沒有證據表明可以通過CAN總線通信。CAN總線廣泛使用的原因可能是在汽車環境中易于與其他控制器接口,這些控制器通常已經使用CAN通信。
  無線BMS(例如#20)布局可以用無線網絡取代模塊之間的內部通信,具有潛在的優勢,包括減少組裝過程中的線束、連接器和布線工作。然而,無線BMS面臨的一個挑戰是汽車內部和外部實體電磁噪聲對無線網絡的干擾,可能會產生安全問題。
  其他功能
  許多系統提供附加的基于PC的軟件來調整BMS設置和參數,這些工具對于試點或小批量系列和開放的研究平臺尤其重要。
  市場區域
  39種BMS改型中,有37種來自西歐、北美、日本或中國的制造商。唯一值得注意的兩個例外是總部位于澳大利亞的Tritium(排名第27)和韓國的LG化學(排名第14)

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關鍵詞: 新能源汽車 電池 電動汽車 bms 鋰電池充電管理芯片 電池管理系統 鋰離子動力電池 動力電池 電池技術 鋰電池電動車 聚合物電芯 電芯 模塊化 通信 bms電池系統


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