電池單體的‘參謀’與‘將軍’:電動汽車BMS產(chǎn)品的創(chuàng)新之道
發(fā)布時(shí)間:2016-01-21 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】借用經(jīng)濟(jì)界的一句術(shù)語來說,電動汽車BMS產(chǎn)品目前正處于“滯脹”的狀態(tài)。BMS產(chǎn)品可以分為軟件算法和硬件架構(gòu)兩個(gè)相對獨(dú)立的部分,因?yàn)檐浖惴ǜ鼮閷I(yè)高深,且與硬件部分關(guān)聯(lián)不大,本文只針對硬件架構(gòu)與產(chǎn)品功能表現(xiàn)之間的聯(lián)系這部分內(nèi)容進(jìn)行分析討論。
借用經(jīng)濟(jì)界的一句術(shù)語來說,電動汽車BMS產(chǎn)品目前正處于“滯脹”的狀態(tài)。雖然產(chǎn)品功能在不斷完善,市場應(yīng)用在不斷擴(kuò)大,但是產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)水平卻還停滯不前,原有的痛點(diǎn)依然存在。造成這一局面的主要原因之一,就是我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案,都是選用國外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理專用IC,并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。BMS產(chǎn)品可以分為軟件算法和硬件架構(gòu)兩個(gè)相對獨(dú)立的部分,因?yàn)檐浖惴ǜ鼮閷I(yè)高深,且與硬件部分關(guān)聯(lián)不大,本文只針對硬件架構(gòu)與產(chǎn)品功能表現(xiàn)之間的聯(lián)系這部分內(nèi)容進(jìn)行分析討論。
先從電池管理專用芯片說起。電池管理專用IC的出現(xiàn)和發(fā)展是和鋰電池應(yīng)用過程中遇到的種種問題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰電池的過充過放而設(shè)計(jì)出了單節(jié)電池的充放電保護(hù)芯片,后來在鋰電池多節(jié)串聯(lián)應(yīng)用中又發(fā)展出應(yīng)用于多串的芯片,這時(shí)候就成為了電池管理芯片,主要是對電池組中的每節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。再以后為了應(yīng)對電池不一致的問題,進(jìn)一步集成了功率開關(guān)的驅(qū)動功能,這就是帶有均衡功能的電池管理IC。
客觀的講,電池管理專用IC成就了早期的BMS產(chǎn)業(yè),也引領(lǐng)了BMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因?yàn)橛辛藢S眯酒珺MS的設(shè)計(jì)才能大大簡化,產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高,但是同時(shí),我們也要看到專用芯片的局限性。前面說過,電池管理專用芯片也是隨著鋰電池的應(yīng)用發(fā)展起來的,而早期的鋰電池多用于小型電子設(shè)備,后來在筆記本電腦中得到廣泛使用,至此電池管理專用芯片一直都是為低串?dāng)?shù)、小型設(shè)備服務(wù)。當(dāng)鋰電池組應(yīng)用到電動汽車時(shí),情況開始有了變化。電動汽車用鋰電池組是高串?dāng)?shù)、大容量的電池串聯(lián)使用,動輒幾十串甚至上百串的數(shù)量已經(jīng)不是筆記本電腦中幾串這種個(gè)位數(shù)級別的串聯(lián)使用可以相比的。
專用IC也沒有閑著,迅速地推出了更多串?dāng)?shù)應(yīng)用的產(chǎn)品,但是考慮到電壓和應(yīng)用復(fù)雜度一般都不超過20串。使用這些IC設(shè)計(jì)的BMS的典型架構(gòu)是集中式架構(gòu)。BMS和電池組之間只有連線,連線數(shù)量取決于電池組串?dāng)?shù),在BMS電路板上的電池管理專用芯片數(shù)量也取決于電池組串?dāng)?shù)。
從示意圖中可以看出,集中式BMS產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,成本低。在電池組串?dāng)?shù)較低時(shí),比如說10來串,連線還算不太復(fù)雜,而且在電池組容量小的情況下,BMS安裝位置可以靠近整個(gè)電池組,縮短連線距離,電池組----BMS,整個(gè)能量系統(tǒng)比較緊湊一體,在電動自行車和電動摩托車上比較適合。
但是在電動汽車鋰電池組上應(yīng)用時(shí),因?yàn)樾枰姵厝萘看?,成組后物理尺寸比較大,連線會較長,而且長短不一,再加上串?dāng)?shù)眾多,連線數(shù)量也就很多,幾十條甚至上百條線的排布非常麻煩。還有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)就是這些連線的順序是需要固定的,因?yàn)閷S眯酒墓苣_已經(jīng)事先定義了電池串聯(lián)順序,所以每串電池上的連線要接入到BMS指定的接插件腳位。
雖然在BMS設(shè)計(jì)工作上這并沒有什么困難,但是在BMS與電池組的實(shí)際連接工作中卻是一個(gè)不小的麻煩事。一般線都是一端和電池連接在一起,另一端通過插件接入BMS,與電池連接這些工作現(xiàn)在都是人工完成,將來也很難由機(jī)器完成,連接在每串電池每個(gè)電極上的線都不能出任何失誤,這整個(gè)的工作量大小可想而知。通過集中式架構(gòu)的分析,我們看到,專用IC比較適用于小容量、低串?dāng)?shù)的場合,在大容量、高串?dāng)?shù)的場合會有連線復(fù)雜,需要一一對應(yīng)的缺點(diǎn)。
再看均衡的問題,集中式架構(gòu)比較適合完成被動均衡,電路設(shè)計(jì)上不增加復(fù)雜度,現(xiàn)在的主流專用IC也都有此功能。但是電流能力有限,百毫安級別,在電池組使用初期一致性差別不大的情況下問題倒也不大,在中后期一致性差別較大的情況下就會有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險(xiǎn)。如果要加入主動均衡功能,現(xiàn)有架構(gòu)基本沒有任何幫助,需要額外的線束和開關(guān)矩陣,電路復(fù)雜程度急劇上升。開關(guān)矩陣需要大量的電子開關(guān),MOSFET,但是因?yàn)閿?shù)量多,其控制電路相當(dāng)復(fù)雜,有企業(yè)用繼電器代替,簡化了設(shè)計(jì),但是帶來了繼電器作為一個(gè)機(jī)械開關(guān)的壽命問題和誤動作風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)然也可以通過降低繼電器的開關(guān)頻率來延長其壽命,通過誤動作檢查來避開風(fēng)險(xiǎn),但是這樣做始終是無法保證器件的平均無故障工作時(shí)間,更何況繼電器的數(shù)量也是相當(dāng)多,不止一個(gè)。這是一種不得已而為之的妥協(xié)方案,而不是解決主動均衡開關(guān)矩陣難題的正解。
為了解決連線復(fù)雜的難題,出現(xiàn)了分布式架構(gòu)的BMS。這種BMS是將信息采集傳遞的功能與其他功能獨(dú)立分離,整個(gè)系統(tǒng)分成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器),CSC安裝在單串電池上,負(fù)責(zé)本串電池信息采集和傳遞,每串電池的信息通過總線傳入BMU。這種架構(gòu)通過總線解決了線束復(fù)雜的難題,而且安裝相對簡單,效率高,柔性好,適合不同電池組規(guī)模大小。
分布式的BMS可以不用電池管理專用IC,是拋開專用IC進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)相對成功的思路。不足的是,分布式架構(gòu)也沒有解決一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡的難題,CSC同樣需要設(shè)置地址(雖然可以在安裝后設(shè)置,比集中式架構(gòu)在安裝前就需要確定要容易實(shí)現(xiàn),出錯概率小),主動均衡仍然需要額外的線束和開關(guān)矩陣。而且因?yàn)槊總€(gè)CSC上都需要MCU和帶有隔離的通訊總線,價(jià)格要高于集中式架構(gòu)BMS,尤其在低串?dāng)?shù)上優(yōu)勢不大。
分布式的思路給了集中式的一個(gè)很好的提示,這就是通過總線解決線束問題,專用IC也看到了其中的好處,迅速推出了帶有無需隔離的通訊總線,進(jìn)一步完善了自己。半分布式架構(gòu),實(shí)際上是二級集中式的架構(gòu)成為了BMS主流設(shè)計(jì)之一。這就是將整個(gè)電池組分為幾個(gè)模組,每個(gè)模組使用采用專用芯片設(shè)計(jì)成的一個(gè)小BMS,然后通過總線連接到一個(gè)最終的控制器上。半分布式架構(gòu)集中了分布式的線束少的優(yōu)點(diǎn)和集中式的設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn),但是遺憾的是,以前架構(gòu)沒能解決的問題也跟著繼承下來,一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡的難題仍然存在。
追本溯源,一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡中開關(guān)矩陣的難題都來自于電池管理專用芯片的先天局限,盡管電池管理專用芯片也在不斷進(jìn)化。因?yàn)槭嵌啻畱?yīng)用,在專用IC上,每個(gè)電池檢測通道必須事先就要確定編號,事后再得知每個(gè)通道的順序無法想象,目前看任何IC都無法設(shè)計(jì)出這么一個(gè)功能。
同樣,開關(guān)矩陣也是來源于多串應(yīng)用,又因?yàn)樯婕暗焦β什糠郑@更是IC的天然弱勢,現(xiàn)有架構(gòu)對主動均衡無能為力的原因就在于此。所以,如果是低串?dāng)?shù),無需主動均衡功能的應(yīng)用,采用專用IC方案是可行的,比如電動工具、電動自行車和電動摩托車;在電動汽車級別的使用中,尤其是要完成主動均衡功能,采用專用IC來設(shè)計(jì)BMS還是比較吃力的。
從2015年的產(chǎn)量上看,電動汽車已經(jīng)順利完成了產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期,后面就是發(fā)展期。BMS急需解決痼疾,市場呼喚新品,只有跳出專用IC方案,BMS創(chuàng)新方可期待。
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