鉅大LARGE | 點擊量：815次 | 2021年12月23日
如何重新含義電動汽車電池管理系統(tǒng)
隨著電氣化動力系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，BMS要執(zhí)行的功能增多，承受的負(fù)擔(dān)之重前所未有。
無論是簡單的充電控制器還是復(fù)雜的控制單元，關(guān)于電池管理系統(tǒng)（BMS）的需求都在迅速上升，尤其是電動汽車領(lǐng)域。除了傳統(tǒng)的充電狀態(tài)監(jiān)控外，BMS系統(tǒng)還必須遵守日益嚴(yán)格的安全法規(guī)，重視控制和待機(jī)功能、熱管理和用于保護(hù)OEM車廠電池的加密算法。未來，甚至車輛控制單元（VCU）的部件和功能也會與BMS相關(guān)聯(lián)。
未來，BMS將在電動汽車領(lǐng)域發(fā)揮重要用途。然而BMS的各個子功能往往由OEM車廠定制，會因系統(tǒng)配置不同而存在很大差異。因此，不可能制定出適用于每一個電動汽車制造商的完整的BMS要求列表。然而，電池管理系統(tǒng)處理的任務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，這一事實毋庸置疑。BMS最常見的要求包括安全要求、控制和監(jiān)控功能、待機(jī)功能、熱管理、加密算法和預(yù)留可擴(kuò)展接口新增新功能。
安全要求
在ISO26262安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如BMS等特定的電氣和電子系統(tǒng)將被歸類為從ASILC至ASILD的高安全類別。與之對應(yīng)的故障檢測率至少為97%至99%。電池系統(tǒng)中最危險的故障來源有：因電纜磨損或事故而導(dǎo)致車輛底盤出現(xiàn)高電壓漏電而未被發(fā)現(xiàn)；各種引起高電壓電池起火或爆炸的原因：例如對電池過度充電（例如在公用電網(wǎng)上或因停電恢復(fù)引起）、電池過早老化（例如爆炸性氣體泄漏）、液體進(jìn)入和短路（例如因雨水引起）、濫用（例如維修不當(dāng)）和熱管理錯誤（例如冷卻失效）等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在安全方面，主開關(guān)（主繼電器）在防止與高電壓相關(guān)的事故中起到了重要的用途，它可確保BMS電子系統(tǒng)能夠作出充分的故障反應(yīng)。發(fā)生故障時，BMS模塊會在適當(dāng)?shù)墓收戏磻?yīng)時間內(nèi)斷開開關(guān)（例如10ms以內(nèi)）。非關(guān)鍵故障安全條件的特點通常是：假如BMS微控制器（MCU）失效，甚至在控制器邏輯完全失效的情況下，獨立的外部安全元件（例如窗口看門狗）仍可確保主開關(guān)繼電器可靠地打開逆變器（正/負(fù)）的兩個高電壓觸點。BMS系統(tǒng)中還集成了其他安全功能，包括漏電電流監(jiān)控和主開關(guān)繼電器監(jiān)控。
控制和監(jiān)控功能：
其他BMS功能包括對電動汽車中昂貴的高電壓電池的監(jiān)控、保養(yǎng)和維護(hù)。BMS控制和監(jiān)控功能來源于安裝于電池包中的電子平衡單元。管理各個電池組內(nèi)（batteryslavepack）的平衡，同時精確地感測各個單電池的電壓。平衡芯片通?？晒芾矶噙_(dá)12個單電池組成的群組。相關(guān)數(shù)量的電池群組串聯(lián)后可出現(xiàn)高達(dá)數(shù)百伏的高中間電路電壓以供逆變器控制之用，這是電動汽車的逆變器電驅(qū)動所必需的。位于主開關(guān)對所有高電壓電池的總電流的測量，以及從芯片對各個單電池電壓的單電池精確同步監(jiān)控，BMS可使用特定算法（例如，基于電池化學(xué)MatlabSimulink模型）評估充電狀態(tài)及健康狀態(tài)等電池參數(shù)。BMS通常不會安裝在非?？拷唠妷弘姵氐奈恢?，但是通常會通過冗余的流電去耦總線系統(tǒng)（比如CAN或其他適合的差分總線）與電子平衡從動元件相連接。它由汽車電壓（12伏電池）供電，因此可通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與現(xiàn)有的控制單元群組結(jié)合使用，無需進(jìn)一步的流電去耦措施。最后，它還改善了安全性，因為它讓BMS能夠在高電壓電池發(fā)生機(jī)構(gòu)或化學(xué)缺陷時確保功能正常并且安全地斷開主開關(guān)。
隨著電池專用的化學(xué)/電氣算法日益復(fù)雜，預(yù)計BMS將要使用擁有2.5MB至4MB閃存和強(qiáng)大的多核處理器架構(gòu)的AURIX等微控制器（MCU）。這種組合可以保證有足夠的內(nèi)存用于全面校準(zhǔn)參數(shù)并供應(yīng)足夠的計算能力。
待機(jī)功能：
電動汽車制造商傾向于定期監(jiān)視電池組和各個單電池的充電狀態(tài)。因此，BMS必須供應(yīng)專門的低功耗待機(jī)功能，該功能僅要μA級極小的MCU功耗且能夠借助按時器快速喚醒系統(tǒng)，例如，在BMS激活模式下通過平衡芯片記錄特定的單電池數(shù)據(jù)。為借助喚醒按時器實現(xiàn)BMS的循環(huán)喚醒，AURIX微控制器有多個型號均在獨立的低功耗域內(nèi)（在同一芯片上）集成了一個8位單片待機(jī)MCU。
熱管理：
出于設(shè)計原因，高電壓電池模塊通常包含主動熱管理，比如用于冬季的加熱器和用于夏季的冷卻系統(tǒng)。這些可通過風(fēng)冷或水冷實現(xiàn)。在這兩種情況下，BMS均用于感測電池的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)和主動執(zhí)行及控制散熱器（例如，風(fēng)扇電機(jī)或水泵）。AURIX微控制器具有內(nèi)置的ADC采樣器和多種按時器功能，可勝任此任務(wù)。
加密算法：
應(yīng)防止電動汽車的原裝OEM電池受未經(jīng)授權(quán)的第三方維修。更換電池群組中的單電池或組裝從廢舊電池上拆卸的個別零部件，會掩蓋與安全相關(guān)的故障甚至是爆炸或火災(zāi)危險跡象。為保證車廠確認(rèn)電池保修的正常性，英飛凌的Origa芯片等適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)模塊應(yīng)直接安裝于各個單電池群組。同時，在MCU中集成硬件安全模塊（HSM）構(gòu)成的電池個體數(shù)據(jù)邏輯保護(hù)可作為一種低成本的備選方法。
在這種情況下，由于電池可控制這些參數(shù)并將它們存儲于受HSM保護(hù)的安全數(shù)據(jù)存儲器，AURIX中的HSM可有效檢測上述電池的各個參數(shù)。例如，在使用壽命方面，通過這種方式將各個單電池狀態(tài)存儲為AES加密檔案，如此可基于此數(shù)據(jù)檢測未經(jīng)授權(quán)的各個單電池更換。我們可以將典型的電池群組檔案比作一個指紋，其唯一性將有利于檢測存在更換的群組。加密算法的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是負(fù)責(zé)監(jiān)控和比較由外部供應(yīng)商計算的充電量與由BMS實際測量所得的充電量。未來的任務(wù)：
根據(jù)制造商選擇的電動汽車特定電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前已有高階驅(qū)動策略的逆變器控制單元和獨立的整車控制單元，即VCU。同時還有整個轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)還具有其它高級功能，如智能電源管理器等。電源處理器（通過集成的導(dǎo)航單元）將駕車路線規(guī)劃涵蓋在內(nèi)，可根據(jù)具體路線優(yōu)化整個電源系統(tǒng)，因此有助于新增電池的行駛距離范圍。
獨立的OEM廠商現(xiàn)在正在考慮將以前的VCU的所有部件改設(shè)至BMS和逆變器控制單元中，從而減少電動汽車的總電子元件成本。去除VCU的先決條件歸根結(jié)底是由BMS可處理的微控制器特定參數(shù)所決定，比如閃存和SRAM的數(shù)量和性能、各個控制單元功能在實時能力方面的獨立性和在共享的可擴(kuò)展的微控制器架構(gòu)上無縫集成安全相關(guān)軟件功能（從QM至ASILD）等。針對這一特定情況，英飛凌推出了基于三核處理器的AURIX多核架構(gòu)的控制器硬件，可在未來的BMS客戶應(yīng)用中集成所有上述要求功能。
