淺析 BMS 電池管理系統(tǒng) 高精度電流檢測
1 汽車電動(dòng)化的發(fā)展趨勢
在全球環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展議題日益受到重視的背景下，新能源汽車已逐漸成為未來交通領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的先鋒人物埃隆·馬斯克，他通過公開其首款電動(dòng)汽車Roadster的全部設(shè)計(jì)文件，顯著促進(jìn)了這一趨勢的發(fā)展。Roadster項(xiàng)目在2008年推出，該車型采用鋰離子電池技術(shù)，單次充電的續(xù)航能力超過200英里。
特斯拉公司將最初的Roadster項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和工程資料開源的決策(圖1)，體現(xiàn)了其對(duì)于知識(shí)共享和行業(yè)創(chuàng)新的承諾。馬斯克曾公開表示：“我不關(guān)心專利。在我看來，專利只是競爭力較弱者的保護(hù)傘，它們并不能真正促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，反而可能阻礙其他參與者的創(chuàng)新步伐?！边@種開放的態(tài)度不僅體現(xiàn)了對(duì)技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)，也為整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。
2 BMS電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵特性分析
動(dòng)力電池的工作原理是基于內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)放電時(shí)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)釋放電子，而陰極發(fā)生還原反應(yīng)接收電子，電子在外部電路流動(dòng)形成電流供給外部負(fù)載,而充電時(shí)，這一過程反轉(zhuǎn)。動(dòng)力電池的關(guān)鍵參數(shù)包括開路電壓(電池在未連接外部負(fù)載或充電器時(shí)的電壓)、名義電壓(電池正常工作時(shí)的穩(wěn)定電壓)、電池容量(電池在一次完整放電過程中能夠提供的總電量，單位為“A·h”)、 內(nèi)阻(電池內(nèi)部對(duì)電流流動(dòng)的阻礙)及循環(huán)壽命(電池在其性能下降到指定百分比之前可以經(jīng)受的充放電循環(huán)次數(shù))。這些參數(shù)決定了電池的性能、效率和使用壽命，是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)監(jiān)控和管理的重要依據(jù)(圖2)。
動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的全面管理和監(jiān)控，其功能非常豐富，能確保在過充、過放、過流和溫度異常等情況下對(duì)電池提供即時(shí)保護(hù)，避免其受到損害(圖3、圖4)。
圖1 特斯拉公開Roadster 開源資料特斯拉敞篷跑車
(官網(wǎng)：特斯拉敞篷跑車tesla.com)
圖2 常規(guī)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)硬件組成
埃隆·馬斯克公開的文獻(xiàn)資料中展示了特斯拉對(duì)電動(dòng)汽 車動(dòng)力系統(tǒng)的深入研究，特別是在電池、電機(jī)和電子控制單元等關(guān)鍵電動(dòng)化組件方面的技術(shù)洞察。以下是特斯拉電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS)的幾個(gè)核心功能：
(1)電壓和電流監(jiān)控： 特斯拉BMS系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測電
圖3 BatteryMonitorBoard –Processor電氣原理圖
圖4 BatteryMonitorBoard – CANInterface電氣原理圖
圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓箱(PDU)
池組的電壓和電流，以實(shí)時(shí)追蹤電池的充電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)和健康狀態(tài)(StateofHealth,SOH)。這種監(jiān)控對(duì)于評(píng)估充放電過程中電池組的能量流動(dòng)至關(guān)重要;
(2)溫度管理：溫度傳感器在電池組內(nèi)的策略性布局，允許對(duì)單個(gè)電池單元和整個(gè)電池組的溫度進(jìn)行精確監(jiān)控。有效的溫度監(jiān)控對(duì)于保障電池的健康和安全至關(guān)重要，因?yàn)闇囟葮O端變化會(huì)對(duì)電池性能和壽命產(chǎn)生不利影響;
(3)電池均衡：特斯拉BMS包括電池均衡功能，確保電池組內(nèi)的每個(gè)電池單元均勻充放電，預(yù)防過充或欠充現(xiàn)象，從而優(yōu)化電池的性能和壽命;
(4)故障檢測與診斷：BMS設(shè)計(jì)旨在識(shí)別和診斷電池組內(nèi)的任何異?；蚬收蠣顟B(tài)，如電池故障、電壓不平衡、溫度異常等，這些都可能影響電池的性能和安全性;
(5)中央控制單元：作為BMS的核心，中央控制單元負(fù)責(zé)收集來自各種傳感器和模塊的數(shù)據(jù)，處理信息并基于復(fù)雜算法做出決策，以優(yōu)化電池的充放電、熱管理和整體性能;
(6)數(shù)據(jù)記錄與報(bào)告：特斯拉BMS還具備數(shù)據(jù)記錄功能，能夠隨時(shí)間收集和存儲(chǔ)關(guān)于電池性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于故障診斷、性能評(píng)估和未來技術(shù)改進(jìn)具有重要價(jià)值。
電動(dòng)化趨勢是新能源汽車發(fā)展的核心, 埃隆·馬斯克通過公開初代Roadster的文件，展示了電動(dòng)汽車從設(shè)計(jì)到制造的全過程，進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)化趨勢的發(fā)展。
BMS系統(tǒng)同樣是儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分之一(圖5)，可對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行安全、可靠、高效的管理，早期的BMS系統(tǒng)只有檢測電池電壓和溫度的功能，主要是對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)測。隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)電池安全保護(hù)的需要，BMS系統(tǒng)具有了更多的功能，不僅可以監(jiān)測電池的電壓和溫度，也可以根據(jù)電池的狀態(tài)對(duì)電池進(jìn)行控制和管理，并且可與儲(chǔ)能變流器(PCS)進(jìn)行協(xié)議兼容，實(shí)現(xiàn)電池簇的充放電管理。主控模塊和從控模塊通過CAN總線互聯(lián)通信。該BMS系統(tǒng)通過采集電池模塊單體電芯(支持磷酸鐵鋰、三元鋰)的電壓、溫度，計(jì)算出SOC、SOH、最高單體電壓/溫度，最低單體電壓/溫度、絕緣阻值等數(shù)據(jù)(圖6)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的被動(dòng)均衡，同時(shí)通過三級(jí)故障保護(hù)以及對(duì)主回路繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的過欠壓、溫度過高/過低、充放電過流等保護(hù)。
圖6 儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)采集電池參數(shù)誤差及采樣周期要求 -《GB/T34131-2023電力儲(chǔ)能用電池管理系統(tǒng)》
圖7 分流器Shunt
3 電流檢測技術(shù)
BMS是連接新能源車核心部件電池與整車的橋梁。受益于新能源車的發(fā)展，作為核心部件的BMS也得到了飛速的發(fā)展。BMS根據(jù)控制的結(jié)構(gòu)不同分為主從式BMS和一體機(jī)BMS，無論哪一種控制結(jié)構(gòu)，總電流檢測是必不可少的。
電流傳感器一般會(huì)位于動(dòng)力電池系統(tǒng)高壓盒總成(BDU/PDU)主正或主副回路測量整個(gè)電池包的電流，電流信號(hào)會(huì)送到BMS，給BMS做充放電控制，電池SOC估算，以及過流和過充的保護(hù)。
電流檢測作為動(dòng)力電池管理過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，
電流的采集方案影響到系統(tǒng)成本、采集精度，采集精度直接影響到SOC的精度、電池系統(tǒng)的保護(hù)，間接影響到車輛的續(xù)航里程和用戶體驗(yàn)：
(1)保證安全性;
(2)記錄濫用情況信息;
(3)用于電池包SOC(state-of-charge)和SOH(state-of-health)估算。
(4)電流量程，電池包峰值電流已可達(dá)到1200-1500A;
(5)為了提高SOC估算精度，提高電池包的利用率，對(duì)傳感器精度要求達(dá)到了0.5%;
(6)客戶對(duì)于BDU主動(dòng)冷卻和熱控制也提出了一些高要求;
(7)電控電壓逐漸從400V提高到800V，以提高電機(jī)的工作效率，降低銅損和成本。
常用的電流檢測技術(shù)包括電阻分流器(Shunt)采樣和磁通門傳感器采樣，對(duì)應(yīng)的檢測方式是接觸式測量(分流器)和非接觸式測量(磁通門)。
分流器(Shunt)是根據(jù)直流電流通過電阻時(shí)電阻兩端產(chǎn)生電壓的原理制作而成(圖7)，分流器實(shí)際就是一個(gè) 阻值很小的電阻,其測量簡單，直流測量精度可以達(dá)到比較高的程度，當(dāng)然，目前也有種帶芯片的分流器測量方式——IVT，是Shunt的高級(jí)形態(tài)。
分流器測量電流的原理比較簡單，理論依據(jù)是歐姆定律I=U/R。
當(dāng)分流器串聯(lián)在被測電路里，流經(jīng)分流器的電流就等同于電路電流，分流器電阻已知(為了降低功耗，一般是微歐級(jí)的電阻)，通過檢測分流器兩端電壓，根據(jù)公式R=U/I，計(jì)算出所測電流。
所以影響分流器測試精度關(guān)鍵點(diǎn)在于電阻的穩(wěn)定性。分流器在通過大電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，使分流器的溫度升高，要保證分流器的檢測精度，生產(chǎn)分流器的材料必須具有較小的溫度漂移，電阻值受溫度的影響較小。由于錳銅具有溫度性能好、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)，因此常用來作為生產(chǎn)分流器的材料。傳統(tǒng)的分流器生產(chǎn)采用釬焊的生產(chǎn)工藝。
分流器方式的主要特點(diǎn)為：
(1)接觸式測量;
(2)分流器在零電流無偏移，基本不受溫度影響，可以避免庫侖計(jì)引起的漂移(但有可能由測量電路引入偏移);
(3)分流器的電阻隨溫度變化而變化，必須進(jìn)行測溫并校準(zhǔn)電阻;
(4)分流器本身存在能量損失，以熱的形式消散;
(5)傳感器為小信號(hào)，需放大后進(jìn)行采集，線路需要進(jìn)行EMI保護(hù)。
磁通門電流傳感器是利用被測磁場中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測環(huán)境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。利用這種現(xiàn)象來測量電流所產(chǎn)生的磁場，從而間接達(dá)到測量電流的目的。
簡而言之，利用磁芯的飽和現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)被測量磁場磁調(diào)制，在激勵(lì)源的磁化作用下，磁芯發(fā)生周期性飽和和非飽和的變化，完成磁場測量過程，達(dá)到對(duì)電流進(jìn)行間接測量的目的
為什么磁通門電流傳感器更適合BMS高精度電流測量?
針對(duì)BMS電池SOC估算來說，和增益誤差相比，零點(diǎn)誤差是一個(gè)更重要的參數(shù)，因?yàn)樵赟OC估算時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較明顯的累計(jì)誤差，嚴(yán)重影響SOC的精度，磁通門技術(shù)擁有極低的零點(diǎn)誤差的同時(shí)，可以做到0.5%精度，能夠保證不管是你在大電流放電還是在小電流充電的過程中，都保持極其高的SOC精度。
磁通門技術(shù)的另一顯著優(yōu)勢是它不需要考慮發(fā)熱的問題，也沒有過流過載的限制，具備無限的過流能力，也避免了分流器電阻片發(fā)熱帶來的老化問題。
同時(shí)使用更簡單，我們的磁通門電流傳感器是直接CAN信號(hào)輸出，不需要客戶系統(tǒng)層面做額外的標(biāo)定和校準(zhǔn)，幫客戶節(jié)省很多開發(fā)成本和時(shí)間，也避免了用分流器做需要額外的溫度補(bǔ)償和標(biāo)定。
再者，它跟高壓總線是隔離的，可以保證系統(tǒng)安全。
綜上所述，磁通門是最適合高性能電池管理系統(tǒng)(BMS)電流測量的技術(shù)路線。
4 MAGTRON電流檢測方案
在實(shí)際應(yīng)用中,浙江巨磁公司的CSM系列電流傳感器基于其自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)iFluxgate?技術(shù)，具有高精度、低溫漂、發(fā)熱量低、響應(yīng)速度快、模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，產(chǎn)品通過了
圖8 CSM 系列電流傳感器參數(shù)
圖9 CSM系列電流傳感器
CE、RoHS認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確獲取充放電電流，有效優(yōu)化傳統(tǒng)的充放電方式，延長電池使用壽命，節(jié)約能量。CSM系列電流傳感器的參數(shù)和性能特點(diǎn)如圖8、如9所示。
CSM系列電流傳感器的電流量程可以做到500A和1500A，覆蓋小型乘用車和中大型商用車，該系列電流傳感器可廣泛用于需要精確測量電流的電池管理(SOC、SOE、SOF等)等應(yīng)用場合，以及純電動(dòng)車、插電混合動(dòng)力汽車及儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域，如新能源電動(dòng)汽車的PACK、BMS、BDU、PDU等。
