BMS解决方案如何通过电池监控和均衡技术解决里程问题

动力总成电气化的临界点——电动汽车 （EV）、混合动力电动汽车 （HEV） 和插电式混合动力汽车 （PHEV） 即将到来，现代锂离子电池能够以更高的功率密度在车辆中存储和使用能量和更低的成本。根据汽车芯片制造商恩智浦的一项内部研究，到 2030 年，全球销售的汽车中有 50% 将采用某种形式的电力推进。

然而，与此同时，锂电池也面临着巨大的挑战，需要复杂的电子控制系统。进入电池管理系统（BMS）。

据媒体报道，“续航焦虑”一直是大众工程师长期以来低估汽车电气化雄心壮志的关键原因。行业观察家称这是大众汽车的一个代价高昂的错误。尽管这家德国汽车制造商声称它正在通过大力增加研发资金来追赶电动驱动技术。

BMS 电子设备是动力总成电气化的关键部分，因为它监控和管理锂离子电池的状态，以确保安全、可靠和最佳的电池运行。在汽车设计中恶劣且不可预测的环境中，BMS 的作用变得尤为重要。

本文将仔细研究 BMS 的结构，并展示高效且准确的 BMS 解决方案如何通过采用电池监控和均衡技术来解决与里程相关的问题。

BMS的解剖

让我们从电池组开始，这是一组必须仔细监控和平衡的锂离子电池。数百甚至数千个电池单元构成了产生高达数百伏电压的电池。电池将直流电压传递给逆变器，逆变器采用交流牵引电机为电动汽车提供加速。

图 1：电动汽车 BMS 视图。

在这里，在电池方面，BMS 解决方案在车辆电气化中执行三个主要功能：电池单元监控、充电状态 （SOC） 估计和电池单元均衡。

以下是 BMS 解决方案的这些关键构建模块的一瞥，这些解决方案采用不同的电池组和动力总成配置。

1. 电芯监控

部署提供 400V 至 800V 系统的大型电池不可避免地需要准确监测电池电压。在这里，BMS 解决方案通过实时提供电流、电压、温度等信息来促进电池单元监控。这在促进电动汽车电池的早期故障检测方面发挥着至关重要的作用。

电池监控芯片通常是监控一个或一组电池电压的微控制器。此外，它通常执行电池组的温度测量，也可能执行电池本身的温度测量。

BMS 电子设备中通常有两个主要子系统。电池监控控制器 （CMC） 将电压和温度数据报告给电池监控控制器 （BMC），后者通过 CAN 总线将数据汇总传递给电子控制单元 （ECU）。当涉及到由 CMC 和 BMC 组件组成的 BMS 架构时，存在分布式和集中式系统设计。

BMS 通过密切跟踪系统性能的下降来准确监控电池单元这一事实也使其能够报告电池组的充电状态。这将我们带到了下一个 BMS 构建块。

图 2：EV 动力总成框图。图片：美信集成

2. 充电状态

锂离子电池容易受到电池过度充电和充电不足造成的损坏。而且，充电状态或 SOC 是 BMS 中最重要的参数之一，它代表了单个电池单元之间的差异。

过电压或过充电电流会导致热失控。此外，即使电池串联连接，也不是电池组中的每个电池都以相同的速率失去电荷。这是因为电池的充电周期取决于几个因素，包括电池中电池的温度和位置。

BMS 电子设备可准确预测车辆续航里程和电池寿命预期，实施预测算法以准确估计电池单体性能。接下来，它确保电池不会以 100% 的 SOC 充电或以 0% 的 SOC 放电，因为两者都会降低电池容量。

最大化电池组容量和最小化退化的一种方法是准确控制每个电池单元的 SOC。因此，BMS 电子设备可以确保电池单元的电量保持在推荐范围内。这是通过电池平衡完成的。

3. 电芯平衡

电池电压之间的差异表明系统级别的电池不平衡，这会影响单个电池和电池组。电池故障的主要原因之一是由单个电池中的漏电流引起的电池电压不平衡。

BMS 确保电池电压不超过额定最大电压，它通过采用被动和主动平衡技术来做到这一点。但是，无源平衡设计中使用的高阻值电阻器本身会消耗功率，并且不会响应汽车设计环境中常见的温度变化。

两种主要的有源平衡技术基于运算放大器，分别使用 MOSFET 实现电压平衡和电流平衡。但是，如果两个单元的电容值不匹配，运算放大器可能会导致发誓功率损失。

图 3：这是 MOSFET 自动平衡电池之间电流的方式。

另一方面，通过互补的反向电流水平实现自然电池平衡的 MOSFET 确保 MOSFET 本身几乎没有或没有额外的漏电流。MOSFET 与电池单元或串联连接的电池组并联。

BMS 价值链

文章表明，如果电池组的充电状态得到准确监控，则不会出现有关电池单元的问题。但是，如果确实出现与电池单元过度充电或充电不足有关的问题，电池单元的自动平衡可确保为电动汽车中的逆变器提供安全的电压供应。

随着更多 EV 和 HEV 上路，BMS 电子设备将继续发展。但它已经能够通过有效地监控和管理车辆电池中的电池来满足当前的要求。

审核编辑：郭婷