如何设计电池管理系统 - 1

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1. 简介

随着电动和混合动力车辆在所有电压等级（从 48 伏轻度混合动力到 800 伏高性能纯电动汽车）中的不断发展，电池管理系统（BMS）的作用变得愈发重要。BMS 解决方案是电池系统安全、高效和智能运行的基石，能够确保在各种运行条件下实现电池的最佳性能、使用寿命和安全性。

汽车 BMS 面临着一系列挑战，包括：

对电池参数（如充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和功率状态（SoP））的精确状态估计
高压电池包中密集排列电芯的热管理
电芯的监测和平衡，以防止性能下降并确保一致性
故障检测和隔离，以防止过压、欠压、过流和热失控

在电动汽车中，BMS 必须与快速充电系统（包括双向 OBC）无缝对接，从而实现诸如车辆到电网（V2G）和车辆到负载（V2L）等高级功能。对于混合动力汽车而言，电池管理系统（BMS）解决方案必须协调内燃机、再生制动系统以及辅助负载之间的能量流动，且通常是在快速变化的条件下进行操作。

根据行业趋势，全球电动汽车市场预计将继续快速扩张，乘用车和商用车领域都将实现显著增长。这一增长得益于电池技术、充电基础设施以及车辆电子技术的进步。然而，电池系统的日益复杂性，包括更高的电压、更大的能量密度以及更复杂的安全要求，给 BMS 设计者带来了巨大的挑战。

Nexperia对创新的承诺体现在其持续的研发投入以及对可持续性和环境责任的重视上。Nexperia的产品组合不断扩展，以适应最新的市场趋势，包括向宽禁带半导体的过渡、能量收集以及先进的电源管理解决方案。

Nexperia的解决方案符合这些趋势，提供：

低功耗逻辑集成电路和电源集成电路，用于实现节能控制均采用低电压硅和高电压碳化硅 MOSFET 来覆盖所有电池系统（最高可达 800 伏）
用于提高系统安全性的汽车级保护装置
用于控制系统集成和通信优化的双极性分立器件

2. 应用描述

2.1 电池包设计

汽车电池组由单个电芯组成，这些电芯被组合成模组，然后组装成完整的电池包，如图 3 所示。

这些类型的电池可以采用不同的化学成分制造；主要的两种是 LFP（锂铁磷酸盐）和 NMC（镍锰钴）。LFP 电池的标称电压通常低于 NMC（约为每个电池单元 3.2 伏，而 NMC 为 3.7 伏）。LFP 和 NMC 电池具有不同的特性，详见下表 2。

电芯的串联组合可提高模组电压；电芯的并联组合则能提升模组的容量。例如，如果将 10 个额定电压为 3.2 伏、容量为 10 安时的电芯串联起来，总输出电压将为 32 伏，而总容量仍为单个电池的容量，即 10 安时。如果现在将相同的电芯以并联方式再增加 10 个电芯进行并联，这种配置被称为 10s2p，意思是 10 个串联和 2 个并联。输出电压将为 32 伏，容量将翻倍至 20 安时。

由于电芯被组合成模组，然后这些模组以串联配置组合起来，形成一个高电压电池包。

模组电压通常在 48 伏至 120 伏之间，而电池包电压则因设计而异。典型的电池包电压因应用和类别而异，例如，轻度混合动力车为 48 伏（1 个模组），标准纯电动汽车和插电式混合动力汽车为 400 伏，高性能和商用电动汽车为 800 伏。
模组的串联组合会提高电池包的电压，而并联组合则能提升电池包的能量（瓦时）。

电池包与车辆的动力系统、充电系统以及车载电子设备相连接，这就要求电池管理系统在安全的条件下对电池运行的各个方面进行监测和控制。

2.2 电池管理系统的功能

电池管理系统（BMS）负责确保电池包的安全和高效运行，其具体功能包括：

持续监测电池的电压、温度和电流，以检测异常情况并防止可能出现的危险状况。通过持续分析这些数据点，电池管理系统（BMS）能够在问题恶化为安全风险或对电池造成永久性损害之前识别出诸如过充电、过放电、过热或短路等问题。

有些电池可能会过充电或过放电，而其他电池则可能未得到充分利用，这会导致整体电池性能下降和使用寿命缩短。电池均衡通过电阻器（被动方式）或从高电压电池向低电压电池转移能量（主动方式）来消除高电压电池中的多余能量，以解决这些自然差异。

算法用于计算充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和功率状态（SoP）。BMS 通过一系列安全机制在电池系统中发挥关键作用。这些保护措施旨在在检测到不安全状况时自动介入，例如断开电池包与车辆电气系统的连接或减少电流流动以防止电芯承受进一步的压力。此类干预措施对于保持电池的完整性以及保障车辆及其乘员的安全至关重要。

电池管理系统通过 CAN、LIN 或 ISO 15118 协议与车辆电子控制单元、充电系统和热管理系统单元进行连接。通过这些网络，电池管理系统会共享诸如荷电状态（SoC）、健康状态（SoH）和温度数据等关键信息。故障和警告信号、充电/放电权限和限制会向外传递，而关于热管理的请求（例如，启动电池冷却或加热）则通过电池管理系统进行传达。

电池管理系统架构

电池管理系统（BMS）的架构会根据应用的需求而有所不同。主要有三种类型：集中式、分布式和模块化，每种类型都根据复杂性、可扩展性和成本的不同适用于不同的应用。以下是电动汽车中使用的三种关键 BMS 架构的简要介绍。

集中式

由一个 BMS 控制整个电池包。这种方式简单但可能在大规模电池包的可扩展性方面存在局限性。

模块化

采用多个 BMS 控制单元，每个单元负责管理电池模组的一部分，并与中央控制器进行通信。这种方式具有更高的灵活性和可扩展性，因此非常适合大规模电池组。

分布式

为每个电芯或电芯组配备独立的监测和平衡电路，通过通信总线相互连接。虽然这种设计提供了最高水平的故障隔离和灵活性，但它也增加了系统的复杂性和成本。

BMS 架构可以根据所示的图 6 中的多种应用需求进行配置。

总的来说，电池管理系统是现代电池系统中一个高度适应性强且至关重要的组成部分，它能够支持多种架构、平衡技术以及通信协议，以满足汽车和工业应用的多样化需求。通过利用像Nexperia这样的公司提供的先进半导体解决方案，工程师们能够设计出不仅坚固可靠，而且具有可扩展性和高效性的电池管理系统，从而确保即使在最苛刻的环境中，电池包也能达到最佳性能和使用寿命。

（未完待续）

来源：小明来电

小米YU7 MAX 电池拆解

昨晚车知知在B站发布了小米YU7 MAX 电池拆解的视频，让我们看看与SU7 MAX 电池有怎样的异同。总体上看二者设计类似，先看电池包后端。二层是高压控制仓。底部集成了液冷接口和防爆阀。上盖左侧布置了低压接口和快充接口。电池上盖依然集成了座椅支架。上盖四周的灰色泡棉用于整车车身与电池包的密封。在电池包前端布置了左右各一个防爆阀。中间是液冷进出管接口。该电池包的额定电压为757V，额定容量为134.4Ah，额定能量为101.7kWh，重666kg。打开上盖可以看到与SU7设计相同的OBC/DCDC。左侧是BDU和BMS主控系统。打开电池包底护板，可以看到电芯区的整体布置，仍然是宁德时代麒麟电池的经典设计。倒置电芯下方有压条和白色缓冲垫。在电池包前端结构仓可以看到黑色的液冷管道。这里的金色云母带用于侧面的热安全防护。在电池包后端能看到FPC的接插头和BMS的从控单元。拆下电芯压条和白色泡棉后，就能清晰看到电芯区的电连接状态。电芯之间通过铝汇流排连接，低压采样通过FPC连接。近距离观察可以看到，汇流排与电芯之间通过两条焊缝连接。同时能看到每个电芯被两块冷却板夹在中间，冷板之间通过黑色橡胶塑料管道进行连接。在电芯区两端有电芯组汇流排的双重防护设计，包括橙色的绝缘防护和银灰色陶瓷硅橡胶带的裹覆功能，提高热失控防护能力。拆下FPC和前后端汇流排，可以更清晰地看到电芯与bus bar的连接状态，同时也能发现电芯温度采样位置的设计方案（即下图黑色支架右侧开窗的位置）。拆下汇流排，断开电芯之间的连接，方便后续反转电池包并拆除电池上盖，创造一个安全的环境。电芯底部与上盖之间涂有一层厚厚的青色结构胶。最后将电芯区与箱体框架进行分离，就完成了YU7 MAX电池包的整体拆解。来源：小明来电