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动力电池BMS技术现状分析

出处:电池中国 发布于:2019-06-26 14:28:04 | 747 次阅读

  为了保护电芯和整个电池包不受放热反应的影响,需要一个电子安全电路,即电池管理系统(BMS)。BMS最重要的功能是安全防护,使电池系统中电芯的电压、温度和电流不超过规定的极限。一般来说,BMS是一种模拟和/或数字电子设备,预期可达到以下主要目标和要求:
  提高电池系统的安全性和可靠性。
  保护电芯和电池系统免受损坏。
  提高电池的能量使用效率(增加续驶里程)。
  延长电池寿命。
  基于以上要求可以派生出BMS的功能,这些功能可以分为五个领域:传感和高压控制、保护、接口、性能管理、诊断。
  在一个集中的BMS中,电芯监控单元、模块管理单元和包管理单元被整合到一个单一的印刷电路板,它处理BMS所需的所有任务,并直接连接到电池。
  在模块化BMS拓扑结构中,模块管理单元被划分为多个单独的实例,这些实例可以放置在靠近电池模块的位置,从而降低了布线的复杂性。模块化拓扑的另一个高级变体是主从拓扑。在这里,从机的功能和元素被减少到最小,与整个电池系统相关的功能只在主机上实现。
  在本研究中,我们分析了29个不同制造商的40个商业BMS。39种BMS改型中,有37种来自西欧、北美、日本或中国的制造商。其中只有一家位于澳大利亚,其余一家位于韩国。
  分析发现这些产品中有18个具有集中的拓扑结构,有22个具有模块化拓扑结构。此外,在22个模块化BMS中,有20个旨在管理纯电动汽车的电池组,而18个集中系统中有13个只适用于200V及以下的应用。
  尽管其中一些集中式BMS允许互连,从而建立更大的分布式拓扑,但高压应用更可能由模块化BMS组成,部分原因是与模块化系统相比,在集中式系统中处理绝缘问题更具挑战性。日产Leaf的360 V系统是个例外。然而,模块化系统的一个缺点是需要大量的通信和电源电路,因此成本相对较高。
  分析表明只有7个BMS没有明确打算在BEVs中应用,因此它们不能在高压下工作。此外,7个中有5个是集中拓扑结构。
  在本研究中几乎所有的BMS都至少使用一条CAN总线通信线路。CAN总线广泛使用的原因可能是在汽车环境中易于与其他通常使用CAN通信的控制器连接。无线BMS可以用无线网络取代模块之间的内部通信,具有潜在的优势包括减少组装过程中的线束、连接器和布线工作。然而,无线BMS面临的一个挑战是汽车内部和外部实体电磁噪声对无线网络的干扰,可能会产生安全问题。
  在研制BMS过程中,为了保证电池系统的安全运行需要考虑多方面的因素。在过去的几十年里,电气和电子系统的硬件和软件部分的开发出现了安全标准。
  本研究考虑将ISO 26262标准“道路车辆-功能安全”(源自通用工业标准IEC 61508)应用于BMS开发。
  锂离子电池存在的问题
  在过去的十年中,锂离子电池在能量密度和成本方面的持续改进,使得锂离子电池成为电动汽车(EV)的首选能源。根据全球电动汽车展望2016年的报道,插电式混合动力汽车(PHEV)电池包的能量密度从2008年的60 Wh/L提高到2015年的295 Wh/L,显著提高400%。另一方面,数据显示同一时间段内成本从1000美元/千瓦时下降到268美元/千瓦时,降幅高达78%。
  在某些特定的情况下,整车厂宣布2015年在成本和能量密度方面取得了更好的成绩。例如,通用汽车(General Motors)宣布,其雪佛兰Bolt的电池成本在2015年10月降至145美元/千瓦时,预计到2022年将降至100美元/千瓦时以下。另一家著名的纯电动汽车(BEV)制造商特斯拉(Tesla)的目标是在2020年之前打破100美元/千瓦时的障碍。2022年xEVs的实际目标:125美元/千瓦时、400 Wh/L和250 Wh/kg,这将使新能源汽车实现对传统内燃机汽车(ICEV)的成本竞争力,并具有前所未有的续驶里程。
  然而,尽管锂离子电池技术在过去的十年中表现出色,主要是因为其良好的能量和功率密度,但它既不是一项成熟的技术,也不是在所有可能的运行条件下都是安全的。锂离子化学非常容易受到温度、过电压、深放电和过电流等条件的影响,这些条件在实际应用中可能对电池造成损伤,因此锂离子电池需要复杂的安全管理技术,此外随着能量密度提升电池的风险越来越高。
  随着研究的不断深入,热失控已被确定为锂离子电池的主要安全隐患。热失控往往是在滥用的条件下造成的,例如过热、深度放电、大倍率充电特别是低温时的大倍率充电、大功率脉冲、挤压,导致内部或者外部短路。在能源储存系统中有效和安全地利用,锂离子技术除了易受极端使用条件下的影响外,还必须考虑如下因素:
  为了给电动汽车驱动系统提供所需的电压和电流,许多锂离子电池必须串联或/和并联,因此需要确保高压安全和维护安全。
  锂离子电池容量会随着使用寿命的延长而衰减,内阻也会增加,这种现象被称为老化,有循环老化和日历老化之分,周围介质的温度、电池包内温度梯度都会影响老化过程。
  串联锂离子电池在正常运行过程中老化特性的扩展,以及电池自放电速率的差异,导致电池电荷不均衡。这种不均衡降低了电池包的可用总容量,要么是因为电荷最少的电芯决定了放电的结束(即使其他电池包中仍然存储着可用的能量),要么是因为电荷最多的电池决定了充电过程的结束。忽略这两种极端情况最终会导致深度放电或过充,这可能导致热失控现象的发生。更重要的是电池容量的降低将导致更频繁的循环从而缩短电池寿命,因此需要均衡电池包中串联电芯之间的电荷。
  BMS相关研究课题
  解决上文提到的问题是BMS的永恒研究课题。文献报道了电芯建模领域的发展,该模型能够对电芯和电池包进行有效监测。电芯监测主要关注电芯内部状态的准确测定:荷电状态(SOC)——衡量电池包实际能量含量和充电不均衡的主要指标;健康状态(SOH)——基于电芯的容量或内阻,衡量电池的老化;或功能状态(SOF)——描述电池在使用过程中如何满足应用的需求,例如功率需求、起动能力或充电接受能力等。此外,关于电芯均衡及其对电池寿命的影响的研究活动在科学文献中也被发现具有同等的相关性。
  虽然目前在锂离子电池中已经投入了大量的努力来缓解上述问题,但安全性本身是一个至关重要的研究课题。大量的资源被用于实现正确理解和复现热失控、锂沉积、锂枝晶产生、集流体溶解、产气,以及环境和工况条件对上述现象的影响。目的是将当前最先进的被动安全管理转变成一个能够提前几小时甚至几天提供安全和危害相关信息模型来保证车辆司机的安全。当然,传统的传感策略——电芯电流、电压和外部温度在未来仍然不会被忽视。此外,还将考虑涉及电芯声学和应变信息的新型传感策略,以及基于电化学阻抗谱(EIS)的无传感器内部温度估计。
  但安全不仅包括分析和算法的实现、传感策略和状态估计(例如高电压、电或热管理),为了防止危险事件的发生,还包括采集、处理、存储和数据通信,以及对专用传感器和执行器的控制,如继电器、预充和高压互锁电路、绝缘监测装置等。
  BMS概述、分类和分析
  1、BMS功能和设计
  从电芯到电池包
  与内燃机车的汽油或柴油油箱不同,锂离子蓄电池在密封的容器中同时含有氧化剂(阴极)和燃料(阳极)。在正常情况下,燃料和氧化剂以可控的方式将化学能转化为电能,并且产热和产气都最小。然而在发生故障的情况下,或者如果电池在规定的极限(温度、电压和电流)之外运行,反应会很快失控并放热。这可能导致热失控,这是一个不可逆的过程,更多的热量被直接释放,而不是从电池外壳扩散。这一过程可能导致火灾和爆炸,并将环境置于显著的风险中。
  锂离子蓄电池有三种不同的结构类型:袋式软包电池、圆形电池和方形硬壳电池。在电芯的制造过程中,使用了不同的电芯化学成分、材料和添加剂。这些因素影响超出其规格限制时电芯的行为。锂离子蓄电池越接近其规格极限,老化过程就越快,电池的寿命就越短。
  电芯的规范限制是不同的,充电结束电压因所用的正极和负极材料而异。对于许多锂离子和锂聚合物蓄电池,放电结束电压为2.5 V,充电结束电压为4.2 V,均由电池化学性质决定。相比之下,石墨/磷酸铁锂(LiFePO4)的充电电压只有3.7 V。此外,充电和温度的规格限制因不同的电芯类型和电芯化学性质而异,并取决于电芯的生产过程,特别是功率型和能量型电芯。电池的电流负载取决于所用的添加剂、隔膜、阴极的钴含量以及电池中的电流导体。
  根据应用的不同,可以使用单个电芯,也可以在模块中串联或并联多个电芯。为了提高电压,可将电芯串联,为了提高容量,可电芯并联为超级电芯,也可以并联几个模块,电芯串并联之后被称为电池系统或电池包。在电池包中,连接可以是纯串联的,也可以是纯并联的,也可以是串并联的,电压水平和容量可以适应应用的具体要求,如混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)或固定存储应用。
  国际标准ISO 6469-3将高压范围定义为直流电压为60V – 1500V,交流电压为30V – 1000V(即B类电压),要在这一高压范围内开展工作,需要有专门的培训和证书。因此电池模块的设计通常是一个模块的总电压小于60V,使得电压A类。这使得在生产和运输过程中无需采取高成本的安全措施就可以处理模块。
  综上所述,电池可以看作是由电芯、模组、电池包三层组成的层次结构:
  电芯:基本元素,锂离子电池的化学性质使其电压约为3V至4V;
  模块:串联和/或并联的集合,电压通常小于60V;
  电池包:由模块串联或并联构成,电压可达1000 V。
  BMS需求和功能
  BMS最重要的任务安全功能,即使电池系统中的电芯在电压、温度和电流方面不超过规定的极限,电芯的这些规范限制通常称为其安全操作区域(SOA)。
  一般来说,BMS是一种模拟和/或数字电子设备,符合以下基本要求:
  数据采集。
  数据处理和数据存储。
  电气管理。
  温度管理。
  安全管理。
  通信。
  对于电动汽车来说,BMS的关键目标和要求如下:
  提高电池系统的安全性和可靠性。
  保护电芯和电池系统免受损坏。
  提高电池的能源使用效率(提高续驶里程)。
  延长电池寿命。
  前两项是安全要求,后两项是使用要求。
  可以从这些需求派生出BMS的各个功能,这些功能可以分为以下五个方面:
  ①检测和控制:BMS必须测量电池电压、温度和电流。它还必须检测绝缘故障,控制接触器和热管理系统。
  ②保护:BMS必须包括电子和逻辑,以警告或保护电池供电系统和电池包的操作员,通过附加的冷却或加热系统防止过充、过放电、过电流、电池短路和极端温度。
  ③接口:BMS必须定期与使用电池包作为电源的应用通信,报告可用的能量和功率,以及电池包状态的其他指标。此外,它必须在永久内存中记录异常错误或滥用事件,以便技术人员通过偶尔的按需下载进行诊断。
  ④性能管理:BMS必须能够估计充电状态(SOC),最好是对电池包中的所有电芯进行估计,计算电池包的可用能量和功率限制,并均衡电池包中的电芯。
  ⑤诊断:最后BMS必须能够估计健康状态(SOH),包括检测滥用,并且可能需要估计电芯和电池包的剩余使用寿命。
  BMS子系统和拓扑
  电池的最终物理结构决定实现电池管理系统的架构选择,每一层将在BMS的功能中形成一个子集:
  在最低层是电芯采集单元(CMU),每个CMU连接到一个单独的电芯,或多个并联连接的电芯,并测量电芯电压和温度,并提供均衡功能。
  中间层是模组管理单元(MMU),分组为多个CMUs,并为最高层提供比CMU更高级别的功能。
  最高层是电池包管理(PMU),功能为监控电池包并与应用之间进行通信,通常通过CAN总线通信。
  这种分类可以分为三种架构拓扑:
  ①集中式:在集中式BMS中,所有三层都组合在一个实体中,BMS直接连接到所有的电芯。由于需要大量的连接,集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于电池包的总电压存在于输入端,这种情况下很难满足隔离要求。


  图1 集中式BMS拓扑
  ②模块化:在模块化的BMS中,多个MMUs(具有自己的CMUs)与单个PMU通信。MMUs靠近电芯,降低了布线的复杂性。MMU通过一个隔离的接口与中央PMU通信,避免了集中式BMS的隔离问题。一种常见的变体是MMU/CMUs被缩减到最小的度量和均衡单元(从板),并与中心PMU(主板)通信。


  图2 模块化BMS拓扑
  ③分布式:在完全分布式的体系结构中,多个PMU控制它们自己的电芯,它们可以相互通信,但彼此独立运行。在最极端的情况下,每个电芯都配备了一个微控制器来跟踪SOC,决定均衡、旁路电芯等动作,这种拓扑结构提供了最高的灵活性和可伸缩性,但具有很高的复杂性和成本。
  大多数商业BMS采用模块化拓扑结构,因为它们在复杂性、成本和灵活性之间提供了最佳的折衷。
  高压电池包组成
  除了BMS的功能外,对BMS的比较和分析还需要对高压(HV)电池组的结构有基本的了解。因此,在本节中,简要介绍了电池组的典型部件,并对它们之间的关系进行了图示。
  纯电动汽车(BEV)的电池包由电池模块、一个BMS、一个冷却系统、一个电池断开单元(BDU)、外壳以及用于高压和数据连接的接口组成。这些组件的示意图如图3所示,其中BDU称为“开关盒”(有时BDU或开关盒也称为“电池接线盒”)。


  图3 高压电池包的主要部分
  在图3中,每个电池模块上都有一个BMS从属模块,它执行直接的电池监视并连接到BMS主模块。除了将电池组电压切换到外部的高压接触器外,BDU还包括一个保险丝、一个总电压和总电流传感器、一个预充电电阻和一个等压表。预充电电阻限制涌进电流,等压表检查壳体或车身是否与高压部件充分隔离。BMS还可以通过控制加热器保持其最低工作温度,或控制风扇或液体冷却系统使其低于最高工作温度,从而主动管理电池组的温度。
  BMS集成电路
  BMS使用集成电路(ICs,也称为微芯片)来实现其功能。用于BMS的ICs可分为提供测量电芯的电压和温度电池传感器ICs,和使用传感器的值以确定电池组的状态和保护电芯免受安全操作区域之外操作单片机ICs。
  有几种集成电路用于测量电池参数(电压、温度和电流),它们在测量精度、功耗、占用空间和成本方面有所不同。
  电池管理应用的电芯监测集成电路的常见制造商包括:
  Linear Technology:线性技术的LTC6802、LTC6803和LTC6804产品线,可以处理多个电芯的化学反应,并测量多达12个电芯的0 - 5V电压。它是专为混合动力汽车牵引包设计的。
  Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600产品线是专门为汽车应用程序设计的,可以监控多达12个锂离子电池。
  Maxim:Maximd的MAX14920、MAX14921系列可处理3-16个锂离子电池。
  德州仪器:德州仪器是小型锂离子电池集成电路的实际领导者,如手机和笔记本电脑。
  Analog Devices:AnalogDevices的AD7280锂离子监测IC类似于Linear Technology的芯片。
  电池传感器集成电路通常采用所谓的多路复用结构,将每个电池(输入对导线)的电压依次转换成单个模拟或数字输出线路,而不是并行地监视所有的连接单元。这种方法降低了成本,但它的缺点是一次只能监视一个电芯电压,可能会由于采样而丢失重要信息。然后需要一种高速开关机构将输出线切换到每个电芯,以便能够以足够的频率连续监视所有电芯。
  电池主控制器集成电路
  电池管理系统中微控制器常用的芯片架构包括:
  ARM Cortex:Cortex M0、Cortex M1和Cortex M4是一组用于嵌入式微控制器的处理器核心。Cortex-M4核心可选地包括浮点单元。制造商包括Atmel、Microchip、STMMicroelectronics、NXP、Texas Instruments和英飞凌。
  MIPS 4K:MIPS是嵌入式系统的模块化微控制器体系结构,支持可选的协处理器和浮点单元。为MIPS提供了广泛的嵌入式开发工具。例如pic32处理器系列的微芯片。
  TriCore:TriCore是英飞凌的双核32位微控制器架构,它是专门设计用于汽车和安全关键应用。
  68000:68000是一个32位微处理器架构,最初由摩托罗拉开发,制造商包括德州仪器、西门子和NXP。
  BMS计算和软件架构
  与其他嵌入式控制系统类似,BMS实现通常遵循多层体系结构。这意味着BMS软件功能可以分为不同的层:
  底层用于设备驱动程序和硬件接口例程。
  中间层提供通信协议的实现和物理测量的解释。
  上层用于高级电池计算,如充电状态和功率限制计算。
  顶层应用程序层负责根据较低层提供的信息进行决策。
  这种多层方法及其抽象层的严格使用极大地提高了BMS软件代码的可重用性和可维护性。例如,根据SOC决定连接或断开电池的应用程序不需要有关SOC如何计算的信息,实际上,在不同的应用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此,SOC计算算法不需要了解如何处理其输入(温度、电压、电流)的细节。更一般地说,如果维护分层体系结构,则可以修改任何层,从而限制相邻层的结果。
  大多数BMS软件架构为BMS的不同功能实现了一个多任务环境。这种环境可以是简单的循环任务调度程序,也可以是更复杂的、完全抢占式的多任务操作系统。BMS是安全性优先的系统,以确保任务负责的安全功能,如电压测量和相关的过度充电和过放电保护、温度和电流测量和接触器驱动——及时执行。在一个抢占式的多任务环境中,任务可能被暂时中断,以执行其他任务,然后在稍后恢复,因此至关重要的是,对安全至关重要的BMS任务不会显著延迟。为了确保实时功能,几个BMS实现建立在像FreeRTOS或μC / OS-II实时操作系统(RTOS),切换任务基于优先级,并且可以提供接受并完成特定任务的时间担保。
  2、可用BMS的概述及其分析
  本节旨在概述目前市场上可用的电池管理系统,重点介绍电动汽车(EV)的应用。然后根据上一节定义的关键参数和拓扑变体对这些电池管理系统进行分类和分析。
  应该指出的是,很难对目前用于商业或学术目的的各种BMS进行概述,原因如下:首先BMS有不同的应用场景,因此市场上可用的BMS通常应用场景是高度适配的。第二很少有信息是公开的,特别是对于大型OEM厂商和供应商用于BEV和HEV的BMS,如大众、丰田、雷诺-日产和特斯拉,虽然它们的车型已达到大规模生产水平,但是涉及到拓扑、关键规格、软件架构等等重要技术信息仍然保留在这些厂商手里。本研究的目的是尽可能收集至少关于欧洲目前市场份额最大的电动汽车的BMS信息,然而对于许多受欢迎的EV车型,包括大众e-Golf、奔驰电动B级轿车、雷诺Zoe、雪佛兰Bolt、现代Ioniq、欧宝、比亚迪、大陆集团、Epower电子、本田、现代Kefico,由于不可能收集足够详细的技术信息,因此对比仍然是不完整的。
  相比之下,专注于BMS原型小型制造商和工程公司,小批量和试点系列产品,往往提供足够详细的有关他们的BMS技术规格和结构的信息,因此本报告的分析主要集中在这个商业领域。此外,还有一些BMS平台——包括来自Altera、Fraunhofer和LION Smart的电池管理系统(使用开源开发策略,主要专注于研究和早期原型设计)。
  可分析BMS列表
  根据对BMS市场现况的研究,现按英文字母顺序整理出以下32种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
  开放研究和原型平台
  #30. Altera’s BMS
  #31. Fraunhofer’s foxBMS
  #32. LION Smart’s Li-BMS V4
  按照关键参数、架构和其他显著特征对上述BMS进行了分析。表1.1给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是一个模块化系统,包括多个电池管理模块(BMM)、一个系统接口模块(SIM)和一个CAN电流传感器(CCS)。BMM结合了PMU的SOC估计、MMU的均衡和CMU的电压和温度测量功能,而SIM只显示PMU特性,它需要与外部控制器通信,并启用充放电模式,CCS是用来测量高达1000伏电池组电流和驱动接触器的。该BMS的应用领域均为电动汽车。此BMS的关系图如图4所示。
  图4 AshwoodsEnergy BMS框图
  #2. AVL’s BMS
  AVL的模块化BMS由电池控制单元(BCU)和模块控制单元(MCU)两层组成,适用于所有汽车应用。当MCU测量电池电压和温度时,BCU负责控制这些并执行所有PMU功能。系统最大电压为800V。
  #3. Calsonic Kansei’s Nissan Leaf-BMS
  安装在尼桑Leaf上的BMS为集中式架构,所有CMU、MMU和PMU的要求都是通过一块控制360 V系统的电路板来实现的,这对于纯电动汽车的电池来说是很少见的。
  #4. Delphi Automotive PLC BatteryManagement Controller
  德尔福的模块化BMS由一个混合动力和电动汽车控制器和几个电池管理控制器组成。混合动力和电动汽车控制器作为电池和外部车辆控制器之间的网关,而电池管理控制器为450 V电池系统提供BMS的所有重要功能。
  #5. DENSO’s Toyota Prius PlugIn-BMS
  丰田在其插电普锐斯中使用了电装的模块化主从式BMS。有4个从控,监视56个串联电池,电池的总包压为207 V。这款BMS的一个特点是与其他所有系统相比实现了主动均衡。
  #6. Elite Power Solutions’ EnergyManagement System
  该公司提供了一个典型主从拓扑结构的BMS。主处理器称为EMS-CPU,包含所有PMU功能,并控制大量4SB-V7、4SB20-V2或4SB200-V7测量板,这些是满足MMU和CMU特点的从板。系统总电压高达500伏,能够用于BEV、PHEV和HEV电池。
  #7. Elithion’s Lithiumate Pro
  Elithion将BMS的任务划分为两个部分,一个是称为Lithium Pro Master的PMU控制器,另一个是用于单个电芯的多个cell-boards(CMU+MMU),或是用于多个电芯的multiple cell-boards(CMU+MMU),最多可处理16节串联电芯。最大电池包电压可达840 V,可适用于所有电动汽车。
  #8: Electric Vehicle Power SystemTechnology Co., Ltd. – EVPST – BMS-1
  BMS-1包含一个具有PMU特性的控制模块(CM)和多达四个具有MMU和CMU特性的测试模块(TM)。图5显示了该BMS的框图。
  图5 EVPST BMS-1框图
  #9: Ford Fusion Hybrid’s BMS
  福特采用单一的集中式BMS,满足了Fusion混合动力车的所有电池相关任务,电池中76个串联电芯加起来的总系统电压为275 V。
  #10: Hitachi’s Chevrolet Malibu Eco-BMS
  32个串联电芯组合在Malibu Eco电池包,总压为115V,该系统由一个单一的集中式BMS监管。
  #11: I + ME ACTIA
  I + ME ACTIA的BMS由一个主板和6个从板组成,其拓扑结构显然是一个模块化的主/从架构,旨在用于不同的EV。
  #12: JTT Electronics Ltd. S-line
  JTT Electronics为汽车应用提供了两种不同的系统:S系列BMS由4个不同的集中式独立模块组成,适用于小型不同的电池规格(S1、S2、S3、S4),电压分别为55、110、165和200伏。
  #13: JTT Electronics Ltd. X-line
  对于较大的车辆,或在一般应用中需要更高的电压水平,JTT提供X系列,该系列结合了一个X-BCU主板和几个X-MCUP从板来实现BMS的所有必要功能。
  #14: LG Chem’s Chevrolet Volt-BMS
  LG化学的模块化BMS由一块主板和四块从板组成,为雪佛兰的Volt电动汽车提供监测。
  #15: Lian Innovative’s BMS
  Lian的BMS使用模块化架构,包括一个功率控制单元(PCU),一个中央控制器单元(CCU)和电芯板(CB),无论是InnoCab, InnoLess,或InnoTeg。功率控制单元测量电池组电压和电流,并连接/断开电池与负载/充电器的连接,中央控制单元管理所有牵引应用和高达900伏的剩余PMU任务。Innoless内部为无限电芯板,每块板分别连接到一节电芯。InnoCab也做了同样的事情,但是是有线的,而InnoTeg板是一个有线的解决方案,每块板可以测量5节电芯。图6为该BMS的框图。
  图6 LianInnovative’s BMS框图
  #16: Lithium Balance’s S-BMS
  S-BMS系统由主板-电池管理控制单元-和监控板-本地监控单元组成。S-BMS和S-BMS 9-16显示了一个传统的主/从架构,在不同的板上具有MMU+CMU和PMU功能。然而,S-BMS能够适用于高达1000V的电动汽车电池包。
  #17: Lithium Balance’s S-BMS 9-16
  相比之下,模块化的S-BMS 9-16只能使用于总压为48 V的电池包。监测由两个本地监控单元和一个电池管理控制单元完成。
  #18: Manzanita Micro’s Mk3x-line
  Manzanita提供三种不同大小的集中式BMS——Mk3锂电池BMS。每个系统的多个板可连用以增加系统的最大电池包电压。总之这些BMS可以管理120 (Mk3x4smt)、240(Mk3x8)或254(Mk3x12)节串联电芯,适用于任何汽车应用。
  #19: Mitsubishi iMiEV’s BMS
  三菱的BMS采用模块化架构,由一个主板和11个从板组成。每个从板能够监控8个串联电芯,这使得三菱iMiEV的电池包总压为330 V。
  #20: Navitas Solutions’ Wireless BMS(WiBMS)
  Navitas提供了一个可适用于所有电动汽车的模块化BMS,包括一个主控和多个从控。该BMS的特点是从控和主控之间通过无线协议(无线局域网)通信,并有可能达到超过1000V的电池包电压。图7中显示了该BMS的框图。
  图7 Navitas BMS框图
  #21: Orion BMS – Extended Size
  Orion BMS是一个集中式系统,可以选择连接多个串联板(分布式拓扑结构),从而实现电压高达2000V的更大系统。所有的电力牵引应用都可以使用该BMS进行管理。
  #22: Orion BMS – Junior
  Orion Jr BMS是一个较小的版本,不能形成分布式架构,设计用于包括48 V的轻型移动牵引装置在内的应用。
  #23: Preh GmbH’s BMW i3-BMS
  Preh为宝马i3提供了一个模块化的BMS系统,包括一个主控板和8个从板。每个从板可以监控12个串联电芯,共96个串联电芯,电池包总电压为360V。
  #24: REAP Systems’ BMS
  REAP Systems生产集中式的锂电池BMS,能够形成拓扑结构系统并应用于电动汽车,所有单板均可处理14个串联电芯。
  #25: Sensortechnik Wiedemann’s – STW – mBMS
  STW的mBMS是一个模块化的三部分系统。它的组成部分包括一个具有PMU功能的电池主监控器(SOC/SOH估计)和一个功率测量板(PMB)(电压/温度/电流控制),它还完成一些PMU任务,例如断开开关、电流监测和几个电芯采集电路(CSC)。该BMS的最大适用电压为800 V,能够用于所有电力牵引应用。图8中显示了该BMS的框图。
  #26: Tesla Motors’ Model S-BMS
  另一个典型的模块化、主从架构的例子是特斯拉汽车公司Model S的BMS。所有16个从控都能够测量6个串联电芯的电压,从而得到一个400 V的系统,其中96个电芯连续工作。
  #27: Tritium’s IQ BMS
  Tritium的IQ BMS也代表了一种典型的主/从架构,其中有一个电池组管理单元(BMU)充当主单元,还有几个电芯管理单元(CMU),它充当从单元。多达256个电池可以串联起来形成一个1000V的电池组。
  #28: Valence U-BMS
  Valence提供了四种不同电池尺寸的集中系统变体:U-BMS-LV、U-BMS-LVM、U-BMS-HV和U-BMS-SHV。U-BMS-LVM允许多个单元连接到分布式系统,最高可达1000V。其他的用于150V(LV)、450 V(HV)或450 V (HV)的汽车应用。
  #29: Ventec SAS i-BMS 8-18S
  iBMS 8-18s是Ventec唯一用于小型电动汽车的BMS。它有一个集中的分布式结构,每个模块处理18个单元,电池包总压包压限制在1000V。
  #30: Altera’s BMS
  Altera提供了一个灵活可以由客户配置的基于fpga的控制平台,从而提高了性能和效率。它能够用卡尔曼滤波器估计96个串联电芯的SOC、SOH。
  #31: Fraunhofer’s fox BMS
  Fraunhofer的fox BMS是一个灵活的基于fpga的BMS平台,它通常与foxBMSmaster和foxBMS slave一起工作。但是也有可能不考虑从系统,从而得到一个集中式架构的系统,其中主模块也包含CMU和MMU功能。
  #32: LION Smart’s Li-BMS V4
  LION Smart系统的BMS由主控模块LION和多个从控模块LION组成,采用典型的CMU/ MMU组合单元和单独的PMU单元的模块化系统结构。技术上可以连接16个从板,每个从板12个串联电芯,最终形成一个电池高达800伏的电动汽车电池包。Li-BMS V4提供了一个基于客户软件调整的开放源代码。
  硬件拓扑
  电池管理系统的一个显著特点是其硬件拓扑结构。如上所述,这包括不同结构和组织板子,这些板子是完成管理系统的所有任务所必需的。首先,各种被检测的制造商及其BMS被划分为模块化和集中化。此外,可以将集中式系统分组为可用于构建分布式拓扑的BMS和不能构建分布式拓扑的BMS(见表2)。
  表2 不同结构BMS
  接下来,分析了可用BMS列表的其他显著特性。然而,由于缺乏一些BMS的技术细节,并不是所有必要的信息都是可用的,因此不可能得出所有这些特性的结论。
  拓扑与操作目的
  现有的BMS系统包括29个不同制造商的32个系统。已经发现,其中10个系统具有集中的拓扑结构,而22个系统具有模块化拓扑结构。此外,这10个集中式BMS系统中的一些可以细分为不同的集中式变体。考虑到不同电压等级集中式BMS的所有变体,在40个BMS中总共有18个集中式系统。由于模块化架构不需要显式不同的变体来实现对不同级别电池包电压的控制,因此添加所需的PMU或CMU板就足够了。如前所述,集中式系统为特定的需求提供了一种简单且成本有效的解决方案,但可伸缩性有限。
  分析表明,只有7个BMS没有明确打算在纯电动汽车应用;因此它们不能在高压下工作。其中5个具有集中的结构。此外,在分析中考虑的22个模块化BMS中,有20个用于管理纯电动汽车的电池组。18个集中系统中有13个只适用于200伏及以下的应用。
  尽管其中一些集中式BMS允许互连,从而建立更大的分布式拓扑,但高压应用程序更可能由模块化BMS处理,部分原因是与电压级别低的几个子系统相比,在集中式系统中处理绝缘问题更具挑战性,日产Leaf的360 V系统是个例外。然而模块化系统的一个缺点是需要大量的通信和电源电路,因此相对较高的成本。
  对于具有多个集中板实例的分布式系统,成本开销甚至更高,因为板上不可避免地存在冗余组件。这可能就是为什么这种拓扑结构在本研究中没有得到广泛应用的原因。
  额外的应用
  不同的应用对BMS的要求似乎常常相似,因为列表中的许多BMS能够在至少一个额外的操作上下文中工作。在30个批量生产的中试bms中,有25个除了用于汽车之外,还被广告用于其他应用,如固定存储、电源备份或海上交通工具。
  电芯化学
  使用具有不同电芯化学性质的BMS的主要限制因素是每个CMU通道可测量的最大电芯电压。锂铁磷电池的最大电压为3.65伏,是所有锂离子电池化学反应的最低电压之一,而广泛分布的镍锰钴电池的最大电压为4.2伏。因此,所有锂铁磷电池都可以由任何列出的锂离子BMA管理。在分析的30个试点批次电池管理系统中,有28个可以运行所有常见的锂离子电池化学成分,只有两种系统专门用于锂铁磷酸盐电池。
  通信接口
  几乎所有经过考虑的BMS都至少使用一条CAN总线通信线路,只有Manzanita Micro(#18)和Navitas Solutions(#20)的BMS没有证据表明可以通过CAN总线通信。CAN总线广泛使用的原因可能是在汽车环境中易于与其他控制器接口,这些控制器通常已经使用CAN通信。
  无线BMS(例如#20)布局可以用无线网络取代模块之间的内部通信,具有潜在的优势,包括减少组装过程中的线束、连接器和布线工作。然而,无线BMS面临的一个挑战是汽车内部和外部实体电磁噪声对无线网络的干扰,可能会产生安全问题。
  其他功能
  许多系统提供附加的基于PC的软件来调整BMS设置和参数,这些工具对于试点或小批量系列和开放的研究平台尤其重要。
  市场区域
  39种BMS改型中,有37种来自西欧、北美、日本或中国的制造商。唯一值得注意的两个例外是总部位于澳大利亚的Tritium(排名第27)和韩国的LG化学(排名第14)

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关键词:动力电池

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