|
坦率的說，一個(gè)包打天下的BMS，能夠覆蓋HEV強(qiáng)混、PHEV插入式、EREV增程式、EV純電動(dòng)，這幾乎就是一件不那么可能的事情。但是一個(gè)很奇怪的事情就是，我們只有一個(gè)推薦性的國標(biāo)，把所有的類型歸入了電動(dòng)汽車，然后訂出了很多的具體的內(nèi)容。我不覺得這些內(nèi)容沒有必要，只是有些困惑，似乎考慮的方向有些偏頗。 電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件 標(biāo)準(zhǔn)里頭定義的BMS的功能，去除電池包的特性： 這些是普通的電池管理系統(tǒng)功能定義，但是這些還不夠 4.2.3 電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測 4.2.4 SOC 估算 4.2.5 電池故障診斷 表 3 電池系統(tǒng)故障診斷基本要求項(xiàng)目 表 4 可擴(kuò)展的故障診斷項(xiàng)目 4.2.6 安全保護(hù) 以下為每個(gè)汽車電子模塊應(yīng)該有的 4.2.7 過電壓運(yùn)行 4.2.8 欠電壓運(yùn)行 4.2.9 高溫運(yùn)行 4.2.10 低溫運(yùn)行 以下這些可能在BMS外殼設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮，由于電池包的情況不一樣，其實(shí)有不同的做法的。這些是值得商議的內(nèi)容： 4.2.11 耐高溫性能 4.2.12 耐低溫性能 4.2.13 耐鹽霧性能 4.2.14 耐濕熱性能 4.2.15 耐振動(dòng)性能 4.2.16 耐電源極性反接性能 4.2.17 電磁輻射抗擾性 我在這里談的架構(gòu)，是分為幾個(gè)方面的： 1.機(jī)械連接：這里一般指的是電池包與車體/架的物理連接情況，主要是力和振動(dòng)方面分析，也會(huì)涉及爬坡等質(zhì)量配置問題。 2.數(shù)據(jù)通信：電池包作為能量提供單元，需要與整車的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，特別是提供電池的信息供汽車控制進(jìn)行決策。 3.能量傳遞：電氣的物理連接，傳送電力。 4.影響：靜態(tài)環(huán)境和車輛的使用情況，其實(shí)都會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)的情況產(chǎn)生巨大的影響。 我們通常所說的BMS一般指里面的控制部分，其實(shí)也就是對(duì)B 
此圖出自SAE2006-21-0060_Advances in HEV Battery Management Systems中的Figure 1 HEV Battery Pack Block Diagram。 事實(shí)上，從HEV、PHEV、EREV和EV都是按普通車的基本要求來設(shè)計(jì)的，使得改進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)和基本的駕駛情況都需要與原有的內(nèi)燃機(jī)汽車存在較大的相似性。在這種條件下，原有的工況比如在SAE-2011-01-1373_VOLTEC Battery System for Electric Vehicle With Extended Range（這份文件不開放，因此就不能放其中圖片，見諒）中談到的： Graph 2. US06 drive cycle: Speed versus time Graph 3. Highway drive Cycle: Speed versus time Graph 4. Urban drive cycle: Speed versus time Graph 5. Electric vehicle on the German Autobahn:Speed(km/h) over time (s) 經(jīng)過設(shè)計(jì)選擇的動(dòng)力系統(tǒng)得到電池包滿足要求的電池功率（可在不同SOC下導(dǎo)出輸出電流）工況： Graph 6. Urban Drive Cycle: Power (kW) over time (s) Graph 7. US06 drive cycle: battery power over time Graph 8. Electric vehicle Autobahn in Germany, power profile in CD and CS mode. 從BMS管理的角度而言： 可以說，EREV和PHEV是最復(fù)雜的，因?yàn)槠浯嬖趶碾妱?dòng)模式切換至混合動(dòng)力的模式的情況。 HEV的電池包容量小，電池?cái)?shù)量少，基本一塊板搞定（從日系的Toyota Prius的電池控制模塊可見一斑）。 而EV的電池雖然容量大，工況單一的情況，某種程度而言，只是在電壓、溫度采集上存在一點(diǎn)點(diǎn)連接復(fù)雜度。 這里需要談一談電池管理模塊與整車控制系統(tǒng)的功能劃分，前者是檢測狀態(tài)，也需要把電池系統(tǒng)控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)，需要在傳遞基本SOC參數(shù)，給出電池包所能充放的功率情況，也需要把診斷報(bào)警信息給后者，在設(shè)計(jì)安全性的時(shí)候一定與整車控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，否則出現(xiàn)的情況是電池包是安全了，車輛在高速公路或者某些環(huán)境下停下來，可是會(huì)出更大意義的安全問題的；后者是做決策的，通過電池包系統(tǒng)傳遞的信息，進(jìn)行決策，這個(gè)后面可以專門分析分析。 所以BMS前提在于，你需要得到一個(gè)好的能夠滿足要求的單體電池，然后檢測這些電池的狀態(tài)，傳遞信息，并且控制問題。 溫度是直接影響壽命的，這張圖是很直接的 Graph 12. Calendar life vs. temperature (Example) 不過以Cycle-life model for graphite-LiFePO4 cells 關(guān)于不同SOC和溫度下，電池的充放電功率限制情況：介紹更為全面：
這里再次提一點(diǎn)，DOD直接決定里程也直接決定壽命，但凡電池容量一定，又牛逼哄哄告訴你能跑多遠(yuǎn)多遠(yuǎn)，都是以犧牲充電次數(shù)壽命作為代價(jià)的。而且SOC的計(jì)算有一定的誤差，全溫度下全工況下5%已經(jīng)是頂尖水平了，在一段時(shí)間內(nèi)的累積誤差，可能造成更壞的影響。怎么說呢，如果一個(gè)BMS的公司，沒有專門的單體實(shí)驗(yàn)室，我是很難相信能夠做出很好的管理系統(tǒng)的。 Graph 13. Battery system power as function of State of Charge (SoC) and Temperature (°C)這張圖雖然是定性的，不過可以得到一些結(jié)論。特別是電量較慢時(shí)候，能量回收的功率問題需要慎重考慮。 注意，這里不遵守這些限制，等于直接損害電池的壽命和健康狀態(tài)。 附錄： 一段很有趣的文字： 轉(zhuǎn)自：http://bbs.dianyuan.com/topic/554902 這是azhu回答網(wǎng)友的一段， 時(shí)間：2010-01-13 08:10 看來我們是同行，我從05年開始，也在做電動(dòng)汽車電池這一塊，當(dāng)時(shí)做的是74V/200Ah的電池組，充滿后跑300公里，給大宇通用做的，這款純電動(dòng)汽車曾在05年的韓國汽車展上展出。 容量這么大的電池組，建議你用模塊化設(shè)計(jì)，分解為小模塊后再串聯(lián)并聯(lián)，另有一個(gè)主管理板去控制各個(gè)模塊。 如果你這么大的電池組，只用一個(gè)管理板，是不好處理的。 以前在科技部分管電動(dòng)汽車這一塊的王處長，他曾和國外的許多電動(dòng)汽車的研發(fā)廠家有作過許多交流，他和我的思路也是一樣的，認(rèn)為只有模塊化才是好的解決方法。 我下面貼一篇他給我的郵件，是06年時(shí)他寫給我的： 小俞：你好！ 隨便聊一聊，“自主創(chuàng)新”。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新。科技部徐冠華部長在全國科技廳局長會(huì)議的報(bào)告中，講到先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域時(shí)說：以高新技術(shù)的集成創(chuàng)新為核心，努力提升自主設(shè)計(jì)、制造和集成能力，大幅度提高我國制造業(yè)競爭能力。我在想,目前國內(nèi)動(dòng)力型鋰離子電池已經(jīng)走過了從無到有的階段，應(yīng)該說十五期間成績不菲。但安全性、一致性很好的基本沒有；2005年大多數(shù)通過安全檢測，但性能是不盡人意的。但從另一個(gè)角度說，電池的不一致是絕對(duì)的，無論多小的差異，對(duì)于N個(gè)電池組成的電池組來說，使用當(dāng)中,容量最小的那個(gè)，會(huì)成為做工最多的，如果沒有好的保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)，差距會(huì)不斷拉大直至提前損壞。咱們放下電池的創(chuàng)新不說，設(shè)計(jì)好的保護(hù)系統(tǒng)，我認(rèn)為是真正的集成創(chuàng)新。為什么這樣說？市場需要產(chǎn)品是硬道理，再好的電池組也需要保護(hù)也是硬道理；為現(xiàn)在不是很完美的電池組設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該說更難，具有開創(chuàng)性。我舉一例來說明它的難度和開創(chuàng)性。比如，10個(gè)電池的電池組其中9個(gè)是正常的好電池，但其中一個(gè)不是很好了；假設(shè)容量只有30％了又沒有電池更換或不可能更換（水下機(jī)器人）或電壓要求的原因不能撤下一個(gè)電池時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)如果能做到9補(bǔ)1分擔(dān)它應(yīng)該做的工，這問題就解決了。換句話說，也就是我們在集成上創(chuàng)新，通過保護(hù)系統(tǒng)來補(bǔ)充電池的不足，這就是保護(hù)加上管理――《保護(hù)管理系統(tǒng)》。也就是說能在電池條件如此低劣的情況下很好工作的《管理系統(tǒng)》才是用戶要的產(chǎn)品。（當(dāng)然一個(gè)管理系統(tǒng)應(yīng)該有很多指標(biāo)要求）。 另一個(gè)，我想聊聊思路。一個(gè)上百層的高樓大廈一定會(huì)有一個(gè)很好的基礎(chǔ)，那么電動(dòng)大巴、電動(dòng)轎車就象一個(gè)幾百層的高樓大廈；怎么進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必定是最重要的。你說的模塊化設(shè)計(jì)，我覺得非常恰當(dāng)；這個(gè)模塊多大合適？我談?wù)勎业南敕�，從目前�?dòng)力電池市場看，國內(nèi)電動(dòng)自行車2005年號(hào)稱500萬輛產(chǎn)量，使用36v的居多。國外汽車產(chǎn)業(yè)正在向42v系統(tǒng)過渡，2010年世界轎車產(chǎn)量7000萬輛左右。所以我想最小模塊是10－12只一組比較適宜。在這基礎(chǔ)上，對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)研做出1－n個(gè)方案，經(jīng)過優(yōu)化確定－個(gè)最多2個(gè)方案進(jìn)行理論設(shè)計(jì)并對(duì)這個(gè)模塊在充放電電流、充放電均衡、溫度、充放電截至電壓、顯示和控制信號(hào)等諸多功能進(jìn)行試驗(yàn)取得經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，定型為基礎(chǔ)模塊，應(yīng)用只是此模塊的衍生和搭建。 科技部2002年曾經(jīng)組織專家組對(duì)歐洲電動(dòng)車應(yīng)用較廣泛的國家進(jìn)行考察，德國電動(dòng)車協(xié)會(huì)主席D.Naunin 2002年10月也到科技部、北理工大學(xué)訪問；電池組的模塊化設(shè)計(jì)是他們的顯著特點(diǎn)，主要是為了便于快速更換。目前，863電動(dòng)車項(xiàng)目的設(shè)計(jì)還沒有達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的要求，只是少量的單一試生產(chǎn)；88只電池組、108只電池組等等每個(gè)廠家都有所不同，但都是不可拆卸的。北京密云電動(dòng)車示范基地、北京市公交121路電動(dòng)車隊(duì)的運(yùn)行模式基本是晚上充電白天運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)行模式單一管理簡單，缺點(diǎn)是： 1、總量采購成本大（為了保證一天的運(yùn)行，每輛車標(biāo)配容量400－600Ah，即車輛加電池系統(tǒng)）。 2、這樣的電池配置（在車廂體積一定）增加了車輛自重減少了載客能力。 3、運(yùn)行中電池組發(fā)生故障時(shí)只能減少運(yùn)行車輛。 4、（當(dāng)電池容量不多時(shí)）機(jī)動(dòng)性差。 5、（電池組過大）維修成本高并且費(fèi)時(shí)。 6、（由于電池組大）充電設(shè)備制造成本昂貴，并且至少一車一個(gè)充電位；充電設(shè)備總量采購成本大。 7、充電設(shè)備白天閑置造成浪費(fèi)。 8、由于車輛多充電設(shè)備多，配電系統(tǒng)改造資金大。9、經(jīng)過長期運(yùn)行后電池的不一致再進(jìn)行調(diào)整匹配難等等。模塊化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)：更換頻繁、管理復(fù)雜。 優(yōu)點(diǎn)是： 1、總量采購成本低（每輛車標(biāo)配容量100－200Ah，再加一定比例的周轉(zhuǎn)電池模塊）。 2、這樣的電池配置減少車輛自重增加了載客能力。 3、運(yùn)行中電池組發(fā)生故障時(shí)，只更換模塊不用減少運(yùn)行車輛。 4、（當(dāng)電池容量不多時(shí)）可快速更換電池模塊大大增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性。 5、（電池組相對(duì)�。┚S修成本低并且省時(shí)。 6、（由于電池模塊相當(dāng)�。┏潆娫O(shè)備制造成本相對(duì)降低，不用一車一個(gè)充電位；充電設(shè)備總量采購成本相對(duì)小。 7、充電設(shè)備白天不閑置24小時(shí)使用，沒有閑置造成的浪費(fèi)。 8、由于充電設(shè)備相對(duì)使用充分、利用率高，可適當(dāng)減少供電容量，配電系統(tǒng)需要的改造資金可相對(duì)減少。 9、由于模塊化電池組變小，經(jīng)過長期運(yùn)行后電池的不一致再進(jìn)行調(diào)整匹配相對(duì)簡單等等。經(jīng)過這樣對(duì)比可見模塊化設(shè)計(jì)可行性比較強(qiáng)，車隊(duì)運(yùn)行規(guī)模越大、計(jì)算周期越長平均投入越經(jīng)濟(jì)，如果加上環(huán)境效益的評(píng)估國家的總量投入一定是可以接受的。 以上想法04年我和來訪的加拿大一家做混合動(dòng)力電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)總監(jiān)（總經(jīng)理）交流過，他非常贊同，我們想法不謀而合。他這樣形容：在國內(nèi)考察了一圈（包括電池廠、電動(dòng)車廠、大學(xué)、政府相關(guān)結(jié)構(gòu)），我是他遇到的知音。因此原定的30分鐘的見面延長到3個(gè)小時(shí)。我相信我是對(duì)的，這對(duì)于如何設(shè)計(jì)“高樓大廈”非常重要。對(duì)于電動(dòng)汽車的應(yīng)用這是戰(zhàn)略問題也是集成創(chuàng)新的路線問題，規(guī)劃對(duì)路事半功倍。 模塊上級(jí)的構(gòu)架有時(shí)間再聊。 我近來在搜集前幾年（十五期間）的相關(guān)資料，我想陸續(xù)提供給你做參考。 另外，如果我們面談我表達(dá)的可能會(huì)準(zhǔn)確些，打成文字，就覺得要說的很多不知從何說起，也不知道你需要什么，我打的也慢，也不知表達(dá)清楚了沒有，你看不懂的部分你提出來。 先談到這里。 祝好！ 老王 06年6月2日 |
