電池管理系統(tǒng)中電流傳感器的應(yīng)用

BMS主要包括硬件、底層軟件和應(yīng)用層軟件三部分，下面就來給大家詳細(xì)介紹一下：

硬件

1、功能

硬件的設(shè)計(jì)和具體選型要結(jié)合整車及電池系統(tǒng)的功能需求，通用的功能主要包括采集功能(如電壓、電流、溫度采集)、充電口檢測(CC和CC2)和充電喚醒(CP和A+)、繼電器控制及狀態(tài)診斷、絕緣檢測、高壓互鎖、碰撞檢測、CAN通訊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等要求。

2、架構(gòu)

BMS硬件架構(gòu)分為分布式和集中式：

(1)分布式包括主板和從板，可能一個(gè)電池模組配備一個(gè)從板，這樣的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是如果電池模組的單體數(shù)量少于12個(gè)會(huì)造成采樣通道浪費(fèi)(一般采樣芯片有12個(gè)通道)，或者2-3個(gè)從板采集所有電池模組，這種結(jié)構(gòu)一塊從板中具有多個(gè)采樣芯片，優(yōu)點(diǎn)是通道利用率較高，節(jié)省成本;

(2)集中式是將所有的電氣部件集中到一塊大的板子中，采樣芯片通道利用最高且采樣芯片與主芯片之間可以采用菊花鏈通訊，電路設(shè)計(jì)相對簡單，產(chǎn)品成本大為降低，只是所有的采集線束都會(huì)連接到主板上，對BMS的安全性提出更大挑戰(zhàn)，并且菊花鏈通訊穩(wěn)定性方面也可能存在問題。

3、通訊方式

采樣芯片和主芯片之間信息的傳遞有CAN通訊和菊花鏈通訊兩種方式，其中CAN通訊最為穩(wěn)定，但由于需要考慮電源芯片，隔離電路等成本較高，菊花鏈通訊實(shí)際上是SPI通訊，成本很低，穩(wěn)定性方面相對較差，但是隨著對成本控制壓力越來越大，很多廠家都在向菊花鏈的方式轉(zhuǎn)變，一般會(huì)采用2條甚至更多菊花鏈來增強(qiáng)通訊穩(wěn)定性。

4、結(jié)構(gòu)

BMS硬件包括電源IC、CPU、采樣IC、高驅(qū)IC、其他IC部件、隔離變壓器、RTC、EEPROM和CAN模塊等。其中CPU是核心部件，一般用的是英飛凌的TC系列，不同型號功能有所差異，對于AUTOSAR架構(gòu)的配置也不同。采樣IC廠家主要有凌特、美信、德州儀器等，包括采集單體電壓、模組溫度以及外圍配置均衡電路等。

底層軟件

按照AUTOSAR架構(gòu)劃分成許多通用功能模塊，減少對硬件的依賴，可以實(shí)現(xiàn)對不同硬件的配置，而應(yīng)用層軟件變化較小。應(yīng)用層和底層需要確定好RTE接口，并且從靈活性方面考慮DEM(故障診斷事件管理)、DCM (故障診斷通信管理)、FIM(功能信息管理)和CAN通訊預(yù)留接口，由應(yīng)用層進(jìn)行配置。

應(yīng)用層軟件

軟件架構(gòu)主要包括高低壓管理、充電管理、狀態(tài)估算，均衡控制和故障管理等等。

1、高低壓管理

一般正常上電時(shí)，會(huì)由VCU通過硬線或CAN信號的12V來喚醒BMS，待BMS完成自檢及進(jìn)入待機(jī)后VCU發(fā)送上高壓指令，BMS控制閉合繼電器完成上高壓。下電時(shí)VCU發(fā)送下高壓指令后再斷開喚醒12V。下電狀態(tài)插槍充電時(shí)可通過CP或A+信號喚醒。

2、充電管理

(1)慢充

慢充是由交流充電樁(或220V電源)通過車載充電機(jī)將交流轉(zhuǎn)化為直流給電池充電，充電樁規(guī)格一般有16A、32A和64A，也可通過家用電源進(jìn)行充電?？赏ㄟ^CC或CP信號喚醒BMS，但應(yīng)保證充電結(jié)束后能正常休眠。交流充電流程比較簡單，按照國標(biāo)詳細(xì)規(guī)定開發(fā)即可。

(2)快充

快充是由直流充電樁輸出直流給電池充電，可實(shí)現(xiàn)1C甚至更高倍率充電，一般45min可充進(jìn)80%電量。通過充電樁的輔助電源A+信號喚醒，國標(biāo)中快充流程比較復(fù)雜，同時(shí)存在2011和2015兩個(gè)版本，而且充電樁生產(chǎn)廠家對于國標(biāo)流程未明確的技術(shù)細(xì)節(jié)理解不同也給車輛充電適配性造成極大的挑戰(zhàn)，因此快充適配性是衡量BMS產(chǎn)品性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

3、估算功能

(1)SOP(State Of Power)主要是通過溫度和SOC查表得到當(dāng)前電池的可用充放電功率，VCU根據(jù)發(fā)送的功率值決定當(dāng)前整車如何使用。需要兼顧考慮釋放電池能力和對電池性能進(jìn)行保護(hù)，比如在達(dá)到截止電壓前進(jìn)行部分功率限制，當(dāng)然這會(huì)對整車駕駛感受產(chǎn)生一定影響。

(2)SOH(State Of Health)主要表征當(dāng)前電池的健康狀態(tài)，為0-100%之間數(shù)值，一般認(rèn)為低于80%以后電池便不可再用?？梢杂秒姵厝萘炕騼?nèi)阻變化來表示，用容量時(shí)即通過電池運(yùn)行過程數(shù)據(jù)估算出當(dāng)前電池的實(shí)際容量，與額定容量的比值即為SOH。準(zhǔn)確的SOH會(huì)提高電池衰減時(shí)其他模塊的估算精度。

(3)SOC(State Of Charge)屬于BMS核心控制算法，表征當(dāng)前的剩余容量狀態(tài)，主要通過安時(shí)積分法和EKF(擴(kuò)展卡爾曼濾波)算法，并結(jié)合修正策略(如開路電壓修正，充滿修正，充電末端修正，不同溫度及SOH下的容量修正等)。安時(shí)積分法在保證電流采集精度條件下比較可靠，但魯棒性不強(qiáng)，由于存在誤差累計(jì)必須結(jié)合修正策略，而EKF魯棒性較強(qiáng)，但算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。國內(nèi)主流廠家一般常溫可以做到精度6%以內(nèi)，在高低溫和電池衰減時(shí)的估算是難點(diǎn)。

(4)SOE(State Of Energy)算法國內(nèi)廠家現(xiàn)在開發(fā)的不多，或采用較為簡單的算法，查表得到當(dāng)前狀態(tài)下剩余能量與最大可用能量的比值。該功能主要用于剩余續(xù)航里程估算。

霍爾效應(yīng)(HallEffect)傳感器變化的磁場轉(zhuǎn)為變化的電壓，其屬于間接測量?？煞譃殚_環(huán)式、閉環(huán)式兩類，后者精度較高。霍爾電流傳感器簡化了電路，僅要連通直流電源正負(fù)極，將被測電流母線穿過傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測，如圖4所示。傳感器輸出信號為副邊電流，和原邊電流(輸入信號)成正比，數(shù)值較小，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換?；魻栯娏鱾鞲衅骷ジ衅鳌⒎至髌鲀?yōu)點(diǎn)于一身且結(jié)構(gòu)更為簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密復(fù)雜的新能源電動(dòng)車電源環(huán)境。

磁通門原理(FluxGate)即為易飽和磁芯在激勵(lì)電流影響下，激勵(lì)電流大小改變電感強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁通量大小，磁通量則如同門那樣打開或者閉合。

普通霍爾電流傳感器精度在0.5%～2%之間，而磁通門電流傳感器利用磁通門原理制作而成，精度能夠達(dá)到0.1%甚至更高，因此也稱之為高精度電流傳感器。結(jié)構(gòu)上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環(huán)和閉環(huán)兩類。此處著重介紹閉環(huán)磁通門電流傳感器，即放大磁通門激勵(lì)電流二次諧波信號，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態(tài);對于HPIT系列磁通并不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀，所示。

磁通門電流傳感器從結(jié)構(gòu)上分為4類，分別是單磁環(huán)、雙磁環(huán)、雙磁環(huán)(屏蔽)、多磁環(huán)(嵌套)。

由于集具磁通門原理高靈敏性、閉環(huán)磁平衡與匝比輸出嚴(yán)格對應(yīng)性、整體磁芯封閉性、探頭補(bǔ)償消除振蕩諧波影響輸出干凈性等優(yōu)點(diǎn)，因此閉環(huán)磁通門電流傳感器被廣泛應(yīng)用于各型新能源電動(dòng)車產(chǎn)品當(dāng)中，如特斯拉Model3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷車型。

2.1.3 穿隧磁阻效應(yīng)電流傳感器

穿隧磁阻效應(yīng)(TMR)電流傳感器是全新一代磁敏元件，較霍爾器件、各向異性磁電阻(AMR)、巨磁電阻(GMR)相比，擁有能耗低、溫漂低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠明顯改善電流檢測的靈敏度與溫度特性。

2.2 溫濕度傳感器

2.2.溫度傳感器

溫度對于BMS性能發(fā)揮意義重大，為了進(jìn)一步提升電池利用率，防止電池過度放(充)電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內(nèi)置NTC溫度傳感器來監(jiān)測溫度。

NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經(jīng)過陶瓷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合制成，工作原理為這些材料載流子數(shù)目少，電阻較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子數(shù)目相應(yīng)增加，電阻對應(yīng)降低(圖7)。其擁有電阻率高、熱容小、響應(yīng)快，阻值與溫度線性關(guān)系優(yōu)良，能彎曲、價(jià)格低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。常用的有3類：地環(huán)外殼NTC溫度傳感器，俗稱“地環(huán)型”;環(huán)氧樹脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱“水滴頭”、“小黑頭”;薄膜NTC溫度傳感器。

2.2.2 濕度傳感器

濕度傳感器就是一種把環(huán)境濕度量轉(zhuǎn)變成能夠被電信號標(biāo)記的設(shè)備或者裝置，常見的濕度傳感器測量的量為相對濕度?，F(xiàn)在新能源電動(dòng)汽車BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上涂敷一層用感濕材料膜，環(huán)境中水蒸氣吸附在膜上時(shí)，元件電阻率、電阻值會(huì)變化，就能測出濕度。

濕度因素在新能源電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)中尤為難以捕捉，但對于電池的性能、壽命影響巨大。對傳感器的濕度輸出予以溫度補(bǔ)償，得到線性電壓，輸入到帶有ADC的新能源電動(dòng)汽車的BMS當(dāng)中。

2.3 電壓傳感器

電動(dòng)汽車供電系統(tǒng)的電池組由幾百個(gè)串聯(lián)電芯聯(lián)通，故而測量電壓的通道需求較大。串聯(lián)電池組為累計(jì)電壓，但單個(gè)電池電動(dòng)勢并不相同，不能簡單采用單向補(bǔ)償法消去誤差。電池電壓采集需要高精度，達(dá)到1mV，而目前采集精度僅有5mV。

電壓傳感器能夠讓被測電池電壓轉(zhuǎn)換成可輸出信號的傳感器，新能源電動(dòng)汽車用的電致發(fā)光效應(yīng)電壓傳感器是測量發(fā)光材料在被測電壓發(fā)光強(qiáng)度情況來獲得被測電壓有效數(shù)值。同傳統(tǒng)的光學(xué)電壓傳感器相比，基于電致發(fā)光效應(yīng)的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩(wěn)定性，另一方面也對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、降低生產(chǎn)成本。

2.4 位置傳感器

BMS中的位置傳感器是一項(xiàng)《電池溫控管理系統(tǒng)及電動(dòng)汽車》實(shí)用新型專利當(dāng)中提到的，目前在新能源電動(dòng)汽車中尚未廣泛應(yīng)用。

位置傳感器主要是用于檢測BMS系統(tǒng)中水冷裝置中冷卻液面的位置情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用于對冷卻液相對于膨脹水壺液面位置進(jìn)行檢測，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個(gè)浮漂，并在每個(gè)浮漂上安裝位置傳感器，以便于車輛在經(jīng)過陡坡等路段或冷卻系統(tǒng)中存有大量氣泡時(shí)，BMS及時(shí)調(diào)節(jié)控制主水泵與副水泵進(jìn)行切換運(yùn)行。

2.5 氣體傳感器

新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э兀姵仄鸹鹎巴ǔ?huì)產(chǎn)生大量異常氣體(一氧化碳/氫氣/氟化氫/TVOC)等，通過CO傳感器、氫氣傳感器診斷到故障后，發(fā)出預(yù)警，并要求整車控制器進(jìn)行有效處理。電池管理系統(tǒng) (BMS)全面監(jiān)測電池的健康狀況。不同的傳感器各有優(yōu)劣勢，一般會(huì)通過多個(gè)不同的傳感器檢測動(dòng)力電池?zé)崾Э厍闆r。

2.5.1 一氧化碳傳感器

為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，提前預(yù)警，顯得非常重要。 動(dòng)力電池?zé)崾Э?，電池起火前通常?huì)產(chǎn)生大量CO，因此監(jiān)控CO的濃度無疑是一種有效的解決方案。一旦超過報(bào)警閾值，啟動(dòng)報(bào)警啟，疏散人員及啟動(dòng)滅火，從而爭取到更多寶貴的時(shí)間。

2.5.2 氫氣傳感器

對于新能源汽車而言，氫氣傳感器不僅能用于監(jiān)測儲(chǔ)氫瓶和燃料電池系統(tǒng)中氫氣的泄露，還能用于檢測排放尾氣中的氫氣濃度。新能源汽車也就能根據(jù)這些監(jiān)測的信息來實(shí)時(shí)分析電堆的性能和反應(yīng)程度，從而及時(shí)調(diào)整相關(guān)輸入指標(biāo)或數(shù)據(jù)配置來實(shí)現(xiàn)車輛的安全、高效運(yùn)行。

3 電池管理系統(tǒng)傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 功能集成化趨勢

新能源電動(dòng)汽車一直在朝向輕量化方向發(fā)展，與此同時(shí)對于部件的集成化要求更加嚴(yán)苛。BMS是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能集成的管理系統(tǒng)，其體積較小，因此要求傳感器具備多功能一體性，進(jìn)而能夠用最少數(shù)量傳感器就能夠全面監(jiān)控電池系統(tǒng)。在發(fā)生異常時(shí)，也能夠更快更準(zhǔn)的找到故障點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測精準(zhǔn)化趨勢

未來產(chǎn)品對傳感器技術(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度將越來越精細(xì)，對于電流電壓、溫濕度等數(shù)據(jù)的采集需要更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而提升用戶對電池系統(tǒng)工況的準(zhǔn)確掌握。下一步需要從理論仿真、實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)方面同時(shí)入手，研究探索出新一代監(jiān)測高效高精度的BMS傳感器。

3.3 產(chǎn)品安全化趨勢

功能安全是新能源電動(dòng)汽車的基本要求，也是傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一方面是需要確保傳感器產(chǎn)品自身使用安全性，另一方面則是傳感器支撐起來的整個(gè)BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車安全性，影響用戶的駕駛體驗(yàn)與人身安全。