電動汽車電池管理中的監(jiān)測系統(tǒng)研究

引言

電動汽車電池系統(tǒng)的安全注意事項(xiàng)涉及多個方面。其中,重要的傳統(tǒng)電氣安全注意事項(xiàng)旨在防止生產(chǎn)工人、車主、機(jī)械師和車輛回收人員暴露在高電壓下或受到電擊:機(jī)械方面的注意事項(xiàng)旨在防止電池被刺穿和受到撞擊損壞,以及解決電池內(nèi)的液體和氣體可能會從電池中泄漏或排出的問題:考慮到鋰離子電池只有在比ICE車輛溫度更嚴(yán)苛的溫度范圍內(nèi)才能最高效、安全地工作,電池組設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)也包含了熱安全注意事項(xiàng):此外,電氣系統(tǒng)的功能安全注意事項(xiàng)可在車輛使用或充電時保持電池安全運(yùn)行。

1電動汽車對電池管理系統(tǒng)的要求

鋰離子電池因具有高電荷密度和低重量的特點(diǎn)而被證明是純電動汽車最理想的動力來源。由于鋰離子電池的尺寸很大,工作性質(zhì)上非常不穩(wěn)定,再加上都是由單體電池組合而成,在任何情況下想要監(jiān)控其電壓和電流工作情況都是非常困難的。為解決這一困難,就需要一個特殊的專用系統(tǒng),即電池管理系統(tǒng)(BMS）。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量每個電池單元的電壓,因?yàn)檫^壓或欠壓條件可能會導(dǎo)致電池的熱故障:還負(fù)責(zé)測量電池組的溫度,如果檢測到過熱情況,控制系統(tǒng)可能會停止再生充電或減少電池組的功率消耗,使單個電池溫度恢復(fù)到安全的操作范圍:電池管理系統(tǒng)另一個重要的能量管理功能是確定充電狀態(tài)(SOC）,以確保所有電池均勻放電,并防止它們低于總?cè)萘康拈撝怠?

2電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測原理及具體實(shí)現(xiàn)單元

鋰離子電池需要在一定的溫度和工作電壓范圍內(nèi)工作,才能發(fā)揮卓越性能和實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。如果超出此范圍,電池內(nèi)部可能會發(fā)生不良的副作用,從而導(dǎo)致過度自發(fā)熱,甚至可能導(dǎo)致內(nèi)部長時間短路。過度自發(fā)熱和內(nèi)部短路是熱失控連鎖反應(yīng)的第一步,最終會造成安全隱患。為了將電池組維持在安全的工作范圍內(nèi),電池監(jiān)測專用集成電路會測量電壓、溫度和電流并將有關(guān)信息傳輸?shù)诫姵乜刂茊卧?。在電動汽車?yīng)用中,為了滿足交流電機(jī)負(fù)載的嚴(yán)苛要求,內(nèi)部電池組電壓應(yīng)不低于800V,這相當(dāng)于在汽車底盤中串聯(lián)堆疊100個或更多的鋰離子電池。因此,需要對高壓電池組應(yīng)用更為先進(jìn)的技術(shù),從而以安全、及時和可靠的方式報(bào)告電池診斷信息。

一種常見的設(shè)計(jì)方法是采用分布式電池組系統(tǒng),它通過在不同的印刷電路板(PCB）上連接多個高精度電池監(jiān)控器,支持包含多節(jié)電池的電池組。此時電池管理系統(tǒng)就會極為復(fù)雜(圖1）,即由許多分系統(tǒng)組成并時刻監(jiān)測電池組狀態(tài),其中電池和監(jiān)測系統(tǒng)之間的連接或不同監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信連接可能會發(fā)生傳感器輸入開路或通信中斷故障。如果沒有必要的測量和通信,電池控制系統(tǒng)便會"失明",再也無法管理電池組中電池的狀態(tài)。而檢測和解決障礙(如通信故障或電池傳感器連接故障等）以避免危險(xiǎn)事件是功能安全的一部分。

圖1電動汽車電池組及監(jiān)測系統(tǒng)

由于電池監(jiān)測子系統(tǒng)的應(yīng)用有利于受損電池單元的"均衡電荷",為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),電池電壓和溫度感應(yīng)位置需要連接到電池監(jiān)測ASIC,以幫助識別電池電壓的下降或提高,從而允許系統(tǒng)確定電池是否過壓或欠壓?？刂铺幚砥鲿l繁讀取測量信息,以計(jì)算電池的當(dāng)前狀態(tài),并幫助確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。對于高壓電池組,監(jiān)測ASIC以堆疊配置形式排列,其中每個ASIC均測量多塊并聯(lián)的電池。命令和數(shù)據(jù)通過一個獨(dú)立的通信接口在ASIC之間傳輸,如圖2所示。

在圖2中,左側(cè)為電池管理或監(jiān)測單元(BMU）板,其中包括主機(jī)MCU和B079600-01通信橋接器件。此BMU連接MCU和單節(jié)電池監(jiān)測單元(CMU）上其他B0796XX監(jiān)測器件,而CMU與實(shí)物電池連接。這些CMU通過雙絞線菊花鏈電纜在每個電池監(jiān)控器件的高側(cè)和低側(cè)互聯(lián),也可使用環(huán)形電纜,在電纜斷開時向任一方向傳輸數(shù)據(jù)。另外,需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件,用來確保在高噪聲環(huán)境中的可靠通信,并承受嚴(yán)格的汽車電磁干擾(EMI）和電磁兼容性(EMC）限制。

B079600-01是一款通信(網(wǎng)橋）IC,旨在連接微控制器(MCU）和電池監(jiān)控IC(B07961X-01或B079606A-01）。該網(wǎng)橋芯片將來自MCU的信息轉(zhuǎn)換為信號,電池管理菊花鏈協(xié)議用于識別這種信號,并將其傳輸出來:同時,來自隔離式菊花鏈差分總線的信號被解碼為位流發(fā)送回MCU,如圖3所示。

圖2具備自動喚醒功能的電池監(jiān)測系統(tǒng)

圖3菊花鏈差分總線信息字節(jié)按位傳輸?shù)氖纠?

使用環(huán)形架構(gòu)時,如果檢測到了任何未屏蔽的故障,則B079600-01可以將處于關(guān)斷/睡眠模式的MCU和PMIC喚醒。

B07961X-01系列器件可以在200μS內(nèi)對最小6S、最大12S(B079612-01）的電池模塊執(zhí)行高精度電池電壓測量。借助集成式前端濾波器,可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。集成式后ADC低通濾波器可以執(zhí)行經(jīng)過濾波、類似于直流電的電壓測量,以便更好地計(jì)算荷電狀態(tài)(S0C）。此器件支持自主內(nèi)部電池平衡,并通過監(jiān)測溫度來自動暫停和恢復(fù)平衡,以免出現(xiàn)過熱條件。包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進(jìn)行隔離,并允許使用最有效的組件實(shí)現(xiàn)XEV動力總成系統(tǒng)中常見的集中式或分布式架構(gòu)。

菊花鏈差分總線的信號使用的是差分、雙向和半雙工接口,所以在高側(cè)和低側(cè)通信接口均有變送器(TX）和接收器(RX）,默認(rèn)情況下可從低側(cè)到高側(cè)傳送信息。這些TX和RX的功能由硬件根據(jù)器件的基站或堆棧檢測自動進(jìn)行控制,數(shù)據(jù)在傳輸?shù)矫總€模塊時會重新計(jì)時。B0796XX器件的RX拓?fù)渑cRS一485類似,但增加了衰減高共模電壓(由車輛環(huán)境中典型的嘈雜情況產(chǎn)生）的設(shè)計(jì)機(jī)制。

3電池管理系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

如果電動汽車在行駛過程中,電池輸入引腳和PCB之間發(fā)生開路,則可能會導(dǎo)致電池監(jiān)測系統(tǒng)功能喪失,進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn)事件。監(jiān)測系統(tǒng)中的B079606A一01和B079616一01系列電池監(jiān)測AS1C包括環(huán)網(wǎng)通信特性以及針對此類故障具有容錯機(jī)制的冗余電池電壓測量路徑,使系統(tǒng)能夠繼續(xù)監(jiān)測電池組的運(yùn)行狀況和安全狀態(tài)。

電池監(jiān)測系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)使用雙向環(huán)網(wǎng)配置(圖2）的B079616一01連接。在這種配置中,如果兩個電池監(jiān)測AS1C之間存在故障、開路或短路,控制處理器將繼續(xù)與所有電池監(jiān)測AS1C通信,并來回切換消息傳遞的方向。當(dāng)正常通信出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)可以借助環(huán)網(wǎng)通信的容錯機(jī)制來保持可用性,而不會丟失來自電池模塊的電壓和溫度信息。

B079606A一01和B079616一01的另一個特性是使用電池平衡輸入引腳連接到電池的冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC）測量路徑。圖4展示了從電池到VC和CB輸入引腳的連接。正常情況下,CB引腳可在電池上提供直流負(fù)載,以平衡電池間的電壓。在正常測量操作期間,主VCADC路徑和冗余CBADC路徑都與電池連接,且均可以測量電池電壓。利用此特性,CBADC路徑在出現(xiàn)故障(如PCB的VC引腳連接開路或RVC電阻器開路）時將繼續(xù)測量電池電壓。當(dāng)正常電壓測量出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)也可以借助冗余ADC路徑的容錯機(jī)制保持可用性,從而不會丟失來自電池模塊的電壓信息。

圖4冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量路徑

4結(jié)語

電池管理系統(tǒng)中的監(jiān)測系統(tǒng)包含環(huán)網(wǎng)通信和冗余路徑特性,以及用于在電動汽車電池電壓和溫度感應(yīng)期間檢測通信和連接故障的各種診斷安全機(jī)制,因此可實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(AS11）D級的系統(tǒng)功能安全。