新能源汽車電池管理系統（BMS）中傳感器技術應用

發布時間：2021-11-3 14:29 發布者：ofweekmall

車載蓄電池作為新能源電動汽車的核心，直接關系到車輛壽命、行駛里程、車輛經濟性、安全性，這一切又取決于電池管理系統的性能。而電池管理系統監控的準確性、執行動作可靠性則依賴各類傳感器，故對于傳感器技術的研究與分析尤為必要。一、新能源電動汽車電池管理系統電池管理系統（Battery Management System，簡稱BMS）是監控車用蓄電池的電壓、電流、負載、溫度等狀態，并能為其提供安全、通信、電芯均衡和管理控制，提供同應用設備通信接口的系統，如圖1所示。BMS具備監控蓄電池系統總電壓、電流數據，獲取單體電池、電芯組、電池模塊電壓，掌握電池包內溫及其形態等數據。它主要由3個部分構成，包括硬件架構、底層軟件以及應用軟件。1.1硬件架構BMS硬件包含CPU、電源和采樣IC、隔離變壓器、CAN模塊、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件結構如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓撲結構。集中式把電子部件歸納在板塊內，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，鏈路簡單，成本低廉，缺點是穩定性不足。分布式由主板、從板組成，系統配置靈活，通道利用率高，適用于各類電池組，缺點是電池模組數量不足時造成通道浪費。BMS的主控制器具備處理上報來的信息、綜合判斷電池運行情況、實現控制策略并處理故障信息功能。高壓控制器具備收集上報總電壓、電流，并為主板提供載荷情況（SOC）、健康狀況（SOH）所需數據，實現預充電、絕緣兩項檢測功能。從控制器具備單體電池信息采集上報，擁有動平衡功能，可以保持電芯的動力輸出一致性。采樣控制線束具備同時在每一根電壓采樣線上添加冗余保險功能，可避免電池外部短路故障（圖2）。1.2底層軟件根據汽車開放系統結構（AUTO motive Open System Ar－chitecture，簡稱AUTOSAR），架構為了減少對硬件設備的依賴性，將BMS劃分為諸多通用功能區塊。能夠對不同的硬件實現配置，并對應用層軟件影響較小。其需要通過RET接口與應用層軟件鏈接，介于故障診斷事件管理（DEM）、故障診斷通信管理（DCM）、功能信息管理（FIM）以及CAN通信預留接口等靈活性要求，應當從應用層進行配置。1.3應用層軟件應用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。1）高低壓管理主要是需要上電時，VCU通過硬線（CAN信號）的12V激發BMS，待后者完成自檢后閉合繼電器上高壓；需要下電時，VCU下達指令斷開12V信號，或者在充電時由CP（A+）信號激發。2）充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45min內完成沖入電量80%，要通過充電輔助電源A+信號激發，目前國標中對快充尚未完成統一，即存在2011和2015兩個快充版本。3）SOC是狀態估算功能的核心控制算法，表示電池剩余容量，通過特定的安時積分法計算得出；SOH是判別電池的壽命狀態及電池充滿狀態下的容量，一般低于80%的電池不得繼續使用；SOP需要根據溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時發出信號讓電力系統限定部分功能；SOE算法是用來估算剩余續航里程的，當前開發得較為簡單，因此新能源電動車續航里程常常不準確，俗稱“空電”現象。4）均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由于電路當中必將由于性能最差的單體電池的截止而截止，造成其余性能完備電池蓄存量的浪費。均衡控制分為主動和被動，其中主動控制將單體間能量進行轉移，其結構復雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優勢更為明顯，目前備受廠家青睞。5）故障診斷主要是根據數據采集、一般性故障、電氣設備故障、通信故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級，并采取對應措施。二、電池管理系統中傳感器應用BMS中主要應用的傳感器有電流傳感器、溫濕度傳感器、電壓傳感器、位置傳感器和氣體傳感器。2.1電流傳感器2.1.1霍爾電流傳感器霍爾效應（HallEffect）傳感器變化的磁場轉為變化的電壓，其屬于間接測量。可分為開環式、閉環式兩類，后者精度較高。霍爾電流傳感器簡化了電路，僅要連通直流電源正負極，將被測電流母線穿過傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測，如圖4所示。傳感器輸出信號為副邊電流，和原邊電流（輸入信號）成正比，數值較小，需進行A/D轉換。霍爾電流傳感器集互感器、分流器優點于一身且結構更為簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密復雜的新能源電動車電源環境。2.1.2磁通門電流傳感器磁通門原理（FluxGate）即為易飽和磁芯在激勵電流影響下，激勵電流大小改變電感強度，進而改變磁通量大小，磁通量則如同門那樣打開或者閉合。普通霍爾電流傳感器精度在0.5%~2%之間，而磁通門電流傳感器利用磁通門原理制作而成，精度能夠達到0.1%甚至更高，因此也稱之為高精度電流傳感器。結構上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環和閉環兩類。此處著重介紹閉環磁通門電流傳感器，即放大磁通門激勵電流二次諧波信號，驅動補償線圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態；對于HPIT系列磁通并不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀，如圖5所示。磁通門電流傳感器從結構上分為4類，見表1，分別是單磁環、雙磁環、雙磁環（屏蔽）、多磁環（嵌套）。由于集具磁通門原理高靈敏性、閉環磁平衡與匝比輸出嚴格對應性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除振蕩諧波影響輸出干凈性等優點，因此閉環磁通門電流傳感器被廣泛應用于各型新能源電動車產品當中，如特斯拉Model3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷車型。2.1.3穿隧磁阻效應電流傳感器穿隧磁阻效應（TMR）電流傳感器是全新一代磁敏元件，較霍爾器件、各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）相比（圖6），其擁有能耗低、溫漂低、靈敏度高等優點，能夠明顯改善電流檢測的靈敏度與溫度特性，故而在新一代新能源電動汽車電池管理系統中，被用于全面取代霍爾傳感器。TMR電流傳感器在檢測電流時不再需要進行溫度補償，將-40℃~85℃環境下的溫度漂移總量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。例如對于車載充電器的電流檢測與控制上，其能夠對銅排或導線電流的精準檢測而使用芯片體積更小，精度、線性度、響應速度和溫漂特性則更為優化，為新能源電動車帶來極佳的安全性與經濟性。2.2溫濕度傳感器2.2.1NTC溫度傳感器溫度對于BMS性能發揮意義重大，為了進一步提升電池利用率，防止電池過度放（充）電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內置NTC溫度傳感器來監測溫度。NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經過陶瓷技術和半導體技術結合制成，工作原理為這些材料載流子數目少，電阻較高，當溫度升高時，載流子數目相應增加，電阻對應降低（圖7）。其擁有電阻率高、熱容小、響應快，阻值與溫度線性關系優良，能彎曲、價格低、壽命長等優點。常用的有3類：地環外殼NTC溫度傳感器，俗稱“地環型”；環氧樹脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱“水滴頭”、“小黑頭”；薄膜NTC溫度傳感器。2.2.2HTW濕度傳感器濕度傳感器就是一種把環境濕度量轉變成能夠被電信號標記的設備或者裝置，常見的濕度傳感器測量的量為相對濕度。現在新能源電動汽車BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上涂敷一層用感濕材料膜，環境中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電阻值會變化，就能測出濕度。HTW-211是引進國外的高精度濕度測量傳感器模塊，是基于HumiChip的精確且可靠的濕度測量傳感器。濕度因素在新能源電動車電池管理系統中尤為難以捕捉，但對于電池的性能、壽命影響巨大。對傳感器的濕度輸出予以溫度補償，得到線性電壓，輸入到帶有ADC的新能源電動汽車的BMS當中。2.3電壓傳感器電動汽車供電系統的電池組由幾百個串聯電芯聯通，故而測量電壓的通道需求較大。串聯電池組為累計電壓，但單個電池電動勢并不相同，不能簡單采用單向補償法消去誤差。電池電壓采集需要高精度，達到1mV，而目前采集精度僅有5mV。電壓傳感器能夠讓被測電池電壓轉換成可輸出信號的傳感器，新能源電動汽車用的電致發光效應電壓傳感器是測量發光材料在被測電壓發光強度情況來獲得被測電壓有效數值。同傳統的光學電壓傳感器相比，基于電致發光效應的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩定性，另一方面也對傳感器結構進行簡化、降低生產成本。2.4位置傳感器BMS中的位置傳感器是一項《電池溫控管理系統及電動汽車》實用新型專利當中提到的，目前在新能源電動汽車中尚未廣泛應用。位置傳感器主要是用于檢測BMS系統中水冷裝置中冷卻液面的位置情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用于對冷卻液相對于膨脹水壺液面位置進行檢測，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個浮漂，并在每個浮漂上安裝位置傳感器，以便于車輛在經過陡坡等路段或冷卻系統中存有大量氣泡時，BMS及時調節控制主水泵與副水泵進行切換運行。2.5氣體傳感器新能源汽車動力電池熱失控，電池起火前通常會產生大量異常氣體（一氧化碳/氫氣/氟化氫/TVOC）等，通過CO傳感器、氫氣傳感器診斷到故障后，發出預警，并要求整車控制器進行有效處理。電池管理系統 (BMS)全面監測電池的健康狀況。不同的傳感器各有優劣勢，一般會通過多個不同的傳感器檢測動力電池熱失控情況。2.5.1一氧化碳傳感器為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時發現火情，提前預警，顯得非常重要。動力電池熱失控，電池起火前通常會產生大量CO，因此監控CO的濃度無疑是一種有效的解決方案。一旦超過報警閾值，啟動報警啟，疏散人員及啟動滅火，從而爭取到更多寶貴的時間。CO傳感器TGS5141，該傳感器具有靈敏度高、可靠性好、壽命長等優點，非常適用于電池起火檢測。一氧化碳傳感器TGS5141是可電池驅動的電化學式傳感器，使用一個特殊的電極取代了儲水器，由于去除了TGS5042中使用的儲水器，TGS5141與TGS5042相比，其外形尺寸縮減到只有后者的10%大小。OEM客戶會發現，通過每個傳感器的條形碼，可以單獨打印每個傳感器的數據，使用戶可以避免昂貴的氣體校準程序，還允許對個別傳感器進行追蹤。2.5.2氫氣傳感器對于新能源汽車而言，氫氣傳感器不僅能用于監測儲氫瓶和燃料電池系統中氫氣的泄露，還能用于檢測排放尾氣中的氫氣濃度。新能源汽車也就能根據這些監測的信息來實時分析電堆的性能和反應程度，從而及時調整相關輸入指標或數據配置來實現車輛的安全、高效運行。催化燃燒可燃氣體傳感器TGS6812。這種可燃氣體傳感器可以檢測100％LEL水平的氫氣。該可燃氣體傳感器具有高精度，良好的耐用性和穩定性，并且對、線性輸出具有快速響應。它不僅可以監測氫氣，還可以檢測甲烷和液化石油氣。這對于固定式燃料電池將氫氣作為可燃氣體時的泄漏檢測是個非常優秀的方案。同時，氫氣傳感器 TGS2615,該傳感器性可靠性好、性價比高，也是氫燃料電池H2泄漏檢測的好幫手。TGS2615-E00 為了消除酒精等干擾氣體的影響而設置了過濾層，顯示出對氫氣很高選擇性的靈敏度特性。3電池管理系統傳感器技術發展趨勢3.1功能集成化趨勢新能源電動汽車一直在朝向輕量化方向發展，與此同時對于部件的集成化要求更加嚴苛。BMS是一個結構復雜、功能集成的管理系統，其體積較小，因此要求傳感器具備多功能一體性，進而能夠用最少數量傳感器就能夠全面監控電池系統。在發生異常時，也能夠更快更準的找到故障點。3.2監測精準化趨勢未來產品對傳感器技術的監測數據精度將越來越精細，對于電流電壓、溫濕度等數據的采集需要更精準的數據，從而提升用戶對電池系統工況的準確掌握。下一步需要從理論仿真、實驗研究兩個方面同時入手，研究探索出新一代監測高效高精度的BMS傳感器。3.3產品安全化趨勢功能安全是新能源電動汽車的基本要求，也是傳感器技術發展的必然趨勢。一方面是需要確保傳感器產品自身使用安全性，另一方面則是傳感器支撐起來的整個BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車安全性，影響用戶的駕駛體驗與人身安全。4總結隨著國內外新能源電動車產業的不斷升級，越來越多的傳感器技術將會應用到新能源電動汽車、BMS當中，企業應當把握良機為市場生產出更優質、更廉價的電動汽車產品和BMS。當然在新的傳感器技術支持下，BMS也會由現在的“硬件+算法”體系升級到“數據+主動式管理”體系。文章來源：中國人民解放軍31620部隊

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