電動(dòng)大巴系統(tǒng)電池BMS主控制器和應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統(tǒng)都可以使用APM。飛兆半導(dǎo)體向汽車(chē)市場(chǎng)提供用于高壓和低壓系統(tǒng)的APM器件，它們幾乎都用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)和制動(dòng)器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

低壓(LV)意味著以更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)通常與該類(lèi)型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負(fù)載。低壓應(yīng)用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電驅(qū)動(dòng)液壓混合轉(zhuǎn)向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達(dá)到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于芯片焊盤(pán)(die paddle)和電流通路以及多個(gè)大電流粘合引線。正溫度系數(shù)(PTC)器件、無(wú)源EMC元件、分流器都達(dá)到了更高的集成度并提高了可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中使用APM是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化封裝和低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車(chē)時(shí)，相比液壓系統(tǒng)，降低寄生引擎負(fù)載可以減小車(chē)輛引擎的尺寸，從而更小型車(chē)輛。低壓模塊用于EV/HEV車(chē)輛，也用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃式引擎汽車(chē)上。

高壓應(yīng)用主要包括由高母線電壓或主電池組供電的泵和風(fēng)扇。典型的峰值相位電流<20A。這一市場(chǎng)中的模塊化解決方案類(lèi)似于許多工業(yè)市場(chǎng)中的應(yīng)用，并使用類(lèi)似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測(cè)。高壓結(jié)構(gòu)必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產(chǎn)品分為帶或不帶增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的類(lèi)型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關(guān)鍵，功率處理器件位于制動(dòng)器附近，甚至工作于變速箱等極端環(huán)境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車(chē)輛中。

有朋友在前端時(shí)間問(wèn)問(wèn)BMS在大巴和乘用車(chē)?yán)锩娴慕Y(jié)構(gòu)差異，這個(gè)事情適合在假期里面寫(xiě)，萬(wàn)一寫(xiě)錯(cuò)了也第一時(shí)間可以系統(tǒng)的來(lái)改改。其實(shí)數(shù)數(shù)全球的商用車(chē)(大巴+卡車(chē))，大致的方向還是沿著就有的習(xí)慣做HEV，國(guó)內(nèi)總體而言，是以純電動(dòng)+PHEV為主的。

這是一個(gè)比較典型的案子，按照原有的A123的成組方式，比較有趣的是模組一級(jí)和BMU一級(jí)完全是一樣的，所以我們來(lái)對(duì)比兩個(gè)案子，美國(guó)的Navistar也是拿著A123的大模組來(lái)做的。

1)上汽和萬(wàn)向合資BEV大巴的系統(tǒng)圖

這個(gè)圖包括模組成組，電池包布置還有系統(tǒng)框圖，其中模組(含BMU)這一級(jí)，基本是電池廠出來(lái)各個(gè)產(chǎn)品(大車(chē)、小車(chē))都能用了

2)Navistar的HEV電池包

歐洲和美國(guó)也用了不少A123的電池系統(tǒng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)是非常類(lèi)似的。

純電大巴的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大體根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師來(lái)布置，分成4～8個(gè)包;HEV+PHEV的包呢，分的數(shù)量少一些都包在一起。

這里的這張圖，是以前在分析五洲龍和沃特瑪電池時(shí)候畫(huà)的，這里的幾個(gè)問(wèn)題其實(shí)是普遍存在的：

1)電池包分別布置在多個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境條件(溫度、振動(dòng))

2)單個(gè)包，配置BMU或者繼電器之后，本身的安全性需要獨(dú)立設(shè)計(jì)，加繼電器的，整個(gè)控制系統(tǒng)的低壓控制線和通信線所受的回路比較大

3)某些系統(tǒng)是先串聯(lián)然后總的進(jìn)行并聯(lián)配置，如下圖比亞迪的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從BMS的角度來(lái)看，電源的電壓系統(tǒng)與BMS

1)電源系統(tǒng)是基于24V系統(tǒng)，電源系統(tǒng)的特別是抑制這塊需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，由于BMS的電源部分需要用個(gè)Buck電路來(lái)替代LDO

2)CAN抑制，同上由于線束的布置問(wèn)題，CAN上面的串?dāng)_不是一點(diǎn)點(diǎn)大

3)均衡，由于大巴容量很大，很多公司用了加大的被動(dòng)均衡或者主動(dòng)均衡

4)由于大巴的電源波動(dòng)，某些公司甚至獨(dú)立配了個(gè)12V備份電源

我個(gè)人是覺(jué)得，未來(lái)純電大巴可能形成三個(gè)分布式BMS系統(tǒng)，獨(dú)立算三個(gè)堆的參數(shù)模式，匯總到VCU這塊可能更好一些。

BMS硬件包含CPU、電源和采樣IC、隔離變壓器、CAN模塊、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。集中式把電子部件歸納在板塊內(nèi)，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，鏈路簡(jiǎn)單，成本低廉，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不足。分布式由主板、從板組成，系統(tǒng)配置靈活，通道利用率高，適用于各類(lèi)電池組，缺點(diǎn)是電池模組數(shù)量不足時(shí)造成通道浪費(fèi)。

BMS的主控制器具備處理上報(bào)來(lái)的信息、綜合判斷電池運(yùn)行情況、實(shí)現(xiàn)控制策略并處理故障信息功能。高壓控制器具備收集上報(bào)總電壓、電流，并為主板提供載荷情況(SOC)、健康狀況(SOH)所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電、絕緣兩項(xiàng)檢測(cè)功能。從控制器具備單體電池信息采集上報(bào)，擁有動(dòng)平衡功能，可以保持電芯的動(dòng)力輸出一致性。采樣控制線束具備同時(shí)在每一根電壓采樣線上添加冗余保險(xiǎn)功能，可避免電池外部短路故障(圖2)。

1.2 底層軟件

根據(jù)汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(AUTO motive Open System Ar-chitecture，簡(jiǎn)稱(chēng)AUTOSAR)，架構(gòu)為了減少對(duì)硬件設(shè)備的依賴(lài)性，將BMS劃分為諸多通用功能區(qū)塊。能夠?qū)Σ煌挠布?shí)現(xiàn)配置，并對(duì)應(yīng)用層軟件影響較小。其需要通過(guò)RET接口與應(yīng)用層軟件鏈接，介于故障診斷事件管理(DEM)、故障診斷通信管理(DCM)、功能信息管理(FIM)以及CAN通信預(yù)留接口等靈活性要求，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用層進(jìn)行配置。

1.3 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態(tài)估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。

1)高低壓管理主要是需要上電時(shí)，VCU通過(guò)硬線(CAN信號(hào))的12V激發(fā)BMS，待后者完成自檢后閉合繼電器上高壓;需要下電時(shí)，VCU下達(dá)指令斷開(kāi)12V信號(hào)，或者在充電時(shí)由CP(A+)信號(hào)激發(fā)。

2)充電管理中慢充流程較為簡(jiǎn)單，而快充需要在45min內(nèi)完成沖入電量80%，要通過(guò)充電輔助電源A+信號(hào)激發(fā)，目前國(guó)標(biāo)中對(duì)快充尚未完成統(tǒng)一，即存在2011和2015兩個(gè)快充版本。

3)SOC是狀態(tài)估算功能的核心控制算法，表示電池剩余容量，通過(guò)特定的安時(shí)積分法計(jì)算得出;SOH是判別電池的壽命狀態(tài)及電池充滿狀態(tài)下的容量，一般低于80%的電池不得繼續(xù)使用;SOP需要根據(jù)溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時(shí)發(fā)出信號(hào)讓電力系統(tǒng)限定部分功能;SOE算法是用來(lái)估算剩余續(xù)航里程的，當(dāng)前開(kāi)發(fā)得較為簡(jiǎn)單，因此新能源電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程常常不準(zhǔn)確，俗稱(chēng)“空電”現(xiàn)象。

4)均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由于電路當(dāng)中必將由于性能最差的單體電池的截止而截止，造成其余性能完備電池蓄存量的浪費(fèi)。均衡控制分為主動(dòng)和被動(dòng)，其中主動(dòng)控制將單體間能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，而被動(dòng)控制除會(huì)浪費(fèi)部分能量外，優(yōu)勢(shì)更為明顯，目前備受廠家青睞。

5)故障診斷主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采集、一般性故障、電氣設(shè)備故障、通信故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級(jí)，并采取對(duì)應(yīng)措施。