电动汽车的集中式和分布式BMS分析

1、电动汽车的集中式和分布式BMS分析由于汽车电气化的水平发展，乘用车用电池管理系统，未来可以在低压启动 电池（12V&48V）和高压 HEVfe池（1kwh1.5kwh）和 PHEVt池（4 18kwh）和 BEV电 池（2085kwh）等电池系统里面看得到。低压系统和高压系统差异很大。电池系 统差异在各个车厂和各个应用平台之间都比较大，各个企业有自己的风格，本文主要通过对不同厂家的产品做资料分析，根据各个车厂未来应用的内部的电池管 理系统按照目前的模块化策略，来整合分析电池管理系统。应该说未来各家车厂 设计理念的演变，使得高压电池系统是有一定的相似性的， 这里主要叙述高压电 池包里面的电池管理

2、系统的一些情况。整篇文章将涵盖电池管理系统结构、集中 式管理系统案例分析、分布式管理案例分析和产品设计的几点考虑几个部分。限 于本人的水平和对案例的认知有限， 难免有些偏差或者错误，在这里仅是抛砖引 玉，请各位读者海涵。第一部分电池管理系统结构电池管理系统有三种不同的构型，我们可以称为集中式管理系统、半分布式 管理系统和分布式管理系统。1）集中式管理系统（大BMST式）：这种管理架构，是将所有的采集单体电压 &电压备份和温度的单元全部集中在一块 BMSR上，由整车控制器直接控制继电 器控制盒。大部分低压的HEVtB是这样的结构，PHEq口 EV典型的应用如LEAF Cma蝎。这样做的优点，是相

3、对而言比较简单，成本较低，由于采集备份在同 一块板上，之间的通信也简化了。缺点当然是很明显的，单体采样的线束比较长， 导致采样导线的设计较为复杂，长线和短线在均衡的时候导致额外的电压压降； 整个包的线束排布也比较麻烦一些，整块 BM甑能支持的最高的通道也是有限 的。这种方式成本低，但是适用性也比较差，性能有些地方没法保证，只能适用 于较小的电池包。2）分布式管理系统（BMU修个CSCT式）：这种是将电池模组（模组和CSC- 配一的方式）的功能独立分离，整个系统形成了 CSC件体管理单元）、BMU电池 管理控制器）、S-Box继电器控制器和整车控制器，三层两个网络的形式。典型 的应用如德系的I3

4、、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。优点 是可以将模组装配过程简化，采样线束固定起来相对容易，线束距离均匀，不存 在压降不一的问题；如后面分析的那样，当电池包大了以后，这种模式就很有优 势了。缺点是成本较高，如3所示，需要额外的MCU独立的CAN总线支持将各 个模块的信息整合发送给BMS总线的电压信息对齐设计也相对复杂。这种方案 系统成本最高，但是移植起来最方便，属于单价高开发成本低的典型，电池包可 大可小。3）半分布式管理系统（BMU效量大CSC方式）：简单一些来说，这就是两种模 式的妥协，主要用于模组排布比较奇特的包上，典型的应用如Smart ED和

5、Volt。 这是一种是将电池管理的子单元做的大一些， 采集较多的单体通道，这样做的好处是整个系统的部件较少，但是需要注意的是这种方式优势不太明显， 主要是部 件不少而且功能集中度也高一些，是三种方案里面成本较高的方案。图1三种电池管理系统架构MEVPHEVEVPriui Cmax,Jetta,LEAF、FluenceZES Kangoo1集中式大多数HEVC-Max/Fu$ionPHEV、Twizy18. Goff GTE/A3 PHEV.E-Up、t3v 500e2分布式Active HybridOutlander PHEVi-MiEVK Models3半分布式Volt. Prius PHE

6、VSmart ED图2部分主流车辆的管理系统划分BMICvrBMIC闻 SPiCAN XCVRBMICvrBMIC闻 SPiCAN XCVR图3分布式和集中式架构基本对比可以说，如果将整车控制和电池管理系统的放在一起来看的话，整个功能分配会更加完整一些。当功能进行划分完毕之后，我们可以进一步对各个部件进行 硬件和软件的定义。总的趋势变化：a）BMS+BM0元肯定会保留功能单体相关的功能（电压、温度测量和备份、均衡）SOx的算法和功率限制对VCU勺通信自身的诊断和少量的记录绝缘检测b）可能转移至配电盒转移的功能,高压测量继电器控制和诊断电流测量c）可能转移至整车控制器的功能充电控制热管理控制典型

7、的功能分配可以如下图4所示。图4三种模式的功能分配案例第二部分集中式LEAF管理系统案例分析日产的工程师采取了传统集中式的典型布置，这是技术演进的结果 （日产从 上世纪90年代开始陆续测试试验车 Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini）,更 像是对原有的HEV电池包进行优化。在整个模块里面，所有的模组都是由 BMS 直接采集并采用传统的配电盒处理。BM财能：安装在24个模块的侧边，通过6个接插件来连接电池模组内部, 电池包配电盒还有车外的连接。电池内配电盒：这个配电盒类似于混动配电盒，仅包含主正、主负、预充继 电器和预充电阻。电流传感器：电流传感器是独立安装的图5 LEA

8、F内部模组连接示意图电流传感器：电流传感器是独立安装的图5 LEAF内部模组连接示意图VMMBMS勺电路结构如下图所示，可以看出采集48个模块的96个通道的单体电 压，所以整个采样部分密密麻麻。这样的设计，是很难实现较大电流的被动均衡 的算法，事实上，这里也没有采取很大的电阻做法。催哨LOO TLE42789口 TLP114B1TDK 551 相El EV. COW第二电动STJ EEPROM i *gTL 催哨LOO TLE42789口 TLP114B1TDK 551 相El EV. COW第二电动STJ EEPROM i *gTL 器LTfXTS?3C46 Tracking Rrguhta

9、Rene骨NEC) gXXP CANpPhOF 梵*Trausten tirJn.P34E图6 LEAF BMS空制器概览用了松下的继电器，这块由于松下长期的技术演进倒是没有什么意外的, 里需要注意的是，配电盒有着很强的噪声抑制的设计要求。Junction box schematic图7 2011和2013的配电盒对比总的来看，以LEAF为代表的集中式电池管理系统，在电池系统的使用中有 着很多的应用限制。第三部分分布式I3管理系统案例分析典型的分布式架构，我们可以拿宝马的系统来看，这套系统从BMW A123合作Active Hybrid(3 , 5, 7)系列车型就开始用了，后续在I3和I8的

10、电池系 统的电子系统中沿用。如图是在2015年上海车展的均胜电子的展台上拍到的 CSC 和BMU勺实物照片，CSC勺芯片一面被遮住了。CSC功能：模组侧边安装，实现了单体电压采集、电压备份的功能和温度采 集。主要的芯片为LT6801和6802G-2,通过Freescale的单片机通过总线传送BMU功能：这是非对称结构的 MCU?置，在BMU!面实现了名缘测量、HVIL 的功能。S-Box功能：这里是实现了继电器、预充电阻、电流测量等一体化的设计。图8分布式架构由于CSCT足够的空间来安置采集芯片、 备份芯片、均衡电阻，所以即使系 统在三防漆处理之后还可以实现 56欧的均衡，散热这块的设计相对简

11、单一些。CSC勺功能安全设计也做了精心的考虑，采用 CANJ号的光耦耦合输出；同 时内部采用运放比较器比较 MCUt理过充信号和备份芯片的方式来独立发送过 充等功能安全信号。侧边安装的方式，使得各种长方和正方的模块设计显得游刃 有余，相比较而言，iMIEV和A3 PHEV勺模组上方的设计对模组设计还是有一些 限制的，如图11所示。图9 2015年上海车展均胜电子展台上的 CSC莫坎戢一电劭b图9 2015年上海车展均胜电子展台上的 CSC莫坎戢一电劭b电癖理单元一时加的刖AilIIRRIFI图10车展上的BMU真块照片图11模组上方的CSCK入安装方式总的来看，电池系统模组化的趋势比较明显，分

12、布式的CSC奠块直接安装在 模组上方，将电池采样线设计进一步简化。第四部分产品设计中的考虑1）BMS的寿命设计对应的工作时间分析传统的汽车，其实本质上HEV的运行机理和传统汽车一样，我们可以将时间 划分为：a）上车之前的时间：从芯片厂家出来运输到 PCBA勺组装厂，成为部件 产品，然后运送至整车企业组装厂待上车 b）运行时间，也就是开车的时间和 c） 非运行时间。我们就按照SAEJ1211里面的两个例子Door Module 8000小时工作时间 79600非工作时间（Sleep模式）和变速箱控制器（6000小时/125400小时=131400 小时）。对于BMSfe说，HEV勺情况下，也是一

13、样的，工作时间最高不超过 8000 小时就够了。充电的车辆呢，问题来了，在引擎关闭的状态下，还有个充电状态。 现在我们把估计重新调整一下，如果按照国外的寿命设计要求，15年的车辆预期寿命，可以初步估计为8000小时1.46小时每天的开车时间和1095032850 小时26小时每天的充电时间。充电的时候，BMS&B件都得工作啊，这个问题 就变成了，不仅仅是开的里程多用的时间长的人对整个BMSS统的寿命形成重度的影响，充电慢的一样。那我们换一个角度来看，如果是在中国，一个客户预期的寿命是8年，按照 50KMi勺角度，一月需要配置12度电左右，我们再估算一下使用时间的分配。模式2 220V AC&8

14、 A输入1.7KW电池系统1.5KW充电时间为8小时，模式3 220VAC&16 A输入3.3KW电池系统3.0KW充电时间为4小时=5840小时2小时每天的 开车时间+116800-23360小时48小时每天的充电时间。2）环境负荷分析电池管理系统，由于有高压部分和低压部分，基本上原有电控单元需要做的 12V的电气试验和电气要求都要有，又由于整个电池系统往底盘和车架上装的趋 势很明显，机械应力设计要求也不低。环境这块，同样是安装条件的事情，如果 电池包设计的好一些，可能压力小一些。a）环境设计要求要有防水功能，这不仅包含电池包IP等级由于密封胶老化，也是考虑内部 有凝露或者是内部冷却液泄漏造

15、成，电池系统进液体故障。考虑到中国的城市下 水道问题，这个事情要比国外大城市使用更苛刻。要有防盐雾和湿热功能，电池系统由于带盐分的空气湿热交变的凝露，产生腐蚀或者绝缘下降等故障。b）电特性要求：所有的隔离电路部分的抗电强度大于 2000V,绝缘电阻大于10MQ ,爬电距 离满足IEC要求。EMQ1下表满足电故障要求，电源反接、防电源短路、防对地短路、防过压和防引脚短乃厘明 X no.笃程目对应国玩蜿装隼企凉准讲埴的1瓯=1怎行.由以关芭8 167544GMW H72Fo/d CETPOD OOE-412 JMC-C5- 20OT r W T$C 781073C 70CHGBMW G$ 95CO

16、3-1/2/374/SRenault M8的 2Nissan 2a0000/IV 134MyuM*i E争第4g 2二1京El华用精庸忒34；飘陋茸皿55用中击号7饬堪徵忒8集皇酬t9酸Jt凄曲甯演10。加曼.03祝帮久融11震盾百湛二11也W击量女B13得久宿求找侬融15叱学Nt*消i 16FW-S和更甯定ie题晒试ISO 16750-5n18单击前温艮巴耳无裾石电气畏电电汪19h电王加庆|$0如20过电后落这Z1空及领王南武12电t推断肯忒一梃23电：*嘀试i*金那器我%史三邮- 7J6居说市温三售布啬就28开胜不哀住蛊窟式30 1茎电氐贪求*电第芸31电毫法iO100SGMW W?七2 H.1 YNB932；触放电融riiMK=ie133TF弼正于唯卧区ibc asm 2号4腐Ct四舌町域传号才始ISO 7U7-294IECCHPR25MyyM-Bi EStoZOO-OO 284G1 NOT Q2mwt 3(-00-8CS- M/JCA 9MW GS 9S0H 牌 4MM vw n aiowtKZOOlG. ?O25 ?508G 7515C35电源鹏宇爆冲ru:审苏I5O3M7-I/S37丸电鼻注入鹭立15011452酎题龟史培曲居况度的38im甘医t和打n辅画龙常氏电,比莫耳）