电动汽车电池管理系统详解：案例分析与未来发展趋势探讨！

导读

随着汽车电气化水平的不断发展，乘用车领域的电池管理系统已经广泛应用于低压启动电池（12V和48V）、高压混合动力电池（1kWh1.5kWh）、插电式混合动力电池（418kWh）和纯电动车电池（20~85kWh）等各种电池系统中。低压系统和高压系统之间存在巨大的差异。不同厂商和应用平台之间的电池系统差异相当大，每个企业都有自己的特色。本文主要通过对不同厂商产品的资料分析，根据各个车厂未来应用中的电池管理系统进行整合分析。可以说，各家车厂设计理念的演变使得高压电池系统具有一定的相似性，本文主要描述了高压电池包内部的电池管理系统的一些情况。全文将涵盖电池管理系统的结构、集中式管理系统的案例分析、分布式管理系统的案例分析以及产品设计的几个考虑因素。由于我的知识水平和对案例的了解有限，难免存在一些偏差或错误。在这里，我只是提供一些初步的思路和观点，希望读者们能够理解。

第一部分电池管理系统结构

电池管理系统具有三种不同的结构，分别是集中式管理系统、半分布式管理系统和分布式管理系统。

集中式管理系统（大BMS方式）：该结构将所有单体电池的电压和温度采集单元集中在一个BMS板上，并由整车控制器直接控制继电器控制盒。这种结构主要应用于低压混合动力电动车，如LEAF和C-Max等。它的优点是相对简单且成本较低，因为采集单元和备份单元位于同一块板上，通信也相对简化。然而，缺点是单体采样线束较长，导致采样导线设计复杂，且在均衡过程中长线和短线之间会产生额外的电压降。整个电池包的线束布局也较为复杂，并且该结构支持的通道数量有限。这种方式成本较低，但适用性较差，只适用于较小的电池包。
分布式管理系统（BMU+多个CSC方式）：该系统将电池模组的功能分离，形成了CSC（单体管理单元）、BMU（电池管理控制器）、S-Box继电器控制器和整车控制器，构成了三层两个网络的结构。典型应用包括德系的i3、i8、E-Golf以及日系的i-MiEV、Outlander和Model S。其优点是可以简化模组的组装过程，采样线束固定较为容易，线束距离均匀，不存在不一致的压降问题。如后面的分析所述，当电池包变大时，这种模式具有优势。然而，缺点是成本较高，需要额外的独立CAN总线来支持将各个模块的信息集成发送给BMS，总线电压信息对齐设计相对复杂。这种方案的系统成本最高，但移植起来最方便，适用于大小不一的电池包。
半分布式管理系统（BMU+少量大CSC方式）：简单来说，这是两种模式的折中方案，主要用于模组排布较特殊的电池包，典型应用包括Smart ED和Volt。在这种方案中，电池管理的子单元较大，采集更多的单体通道。这种方式的优点在于系统部件较少，但需要注意的是，这种方式的优势不太明显，主要是部件较少且功能集中度较高，是成本较高的方案之一。

图1 三种电池管理系统架构

图2 部分主流车辆的管理系统划分

图3 分布式和集中式架构基本对比

如果将整车控制和电池管理系统放在一起考虑，整个功能分配将更加完整。在对功能进行划分后，我们可以进一步对各个部件的硬件和软件进行定义。总体趋势的变化如下：

a) BMS+BMU单元的功能肯定会保留，包括：

单体相关功能（电压、温度测量和备份、均衡）
SOx的算法和功率限制
与VCU的通信
自身的诊断和少量记录
绝缘检测

b) 可能转移到配电盒的功能包括：

高压测量
继电器控制和诊断
电流测量

c) 可能转移到整车控制器的功能包括：

充电控制
热管理控制

典型的功能分配如下图所示（参见图4）

图4 三种模式的功能分配案例

第一部分集中式LEAF管理系统案例分析

日产的工程师采用了传统的集中式布局，这是技术演进的结果。日产在上世纪90年代开始陆续测试试验车Prairie EV、Altra EV和Hyper Mini，并对原有的混合动力电池包进行了优化。在整个模块中，所有的模组都由BMS直接采集，并采用传统的配电盒进行处理。

BMS功能：BMS安装在24个模组的侧边，通过6个接插件连接电池模组的内部，以及与电池包配电盒和车辆外部的连接。

电池内配电盒：电池内配电盒类似于混合动力车的配电盒，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 LEAF内部模组连接示意图

BMS的电路结构如下图所示，可以观察到它采集了48个模组的96个通道的单体电压，因此整个采样部分非常密集。这样的设计使得实现较大电流的被动均衡算法变得困难，实际上，并没有采用较大的电阻作为解决方案。

图6 LEAF BMS控制器概览

在该设计中使用了松下的继电器，这并不令人意外，因为松下在技术方面有着长期的演进。需要注意的是，配电盒具有强大的噪声抑制设计要求。

图7 2011和2013的配电盒对比

总的来说，以LEAF为代表的集中式电池管理系统在电池系统的使用中存在许多应用限制。

第三部分分布式I3管理系统案例分析

典型的分布式架构可以以宝马的系统为例。这套系统最早在BMW与A123合作的Active Hybrid (3、5、7) 系列车型中开始使用，并在后续的I3和I8电池系统的电子系统中得到延续。下图是2015年上海车展上拍摄到的均胜电子展台上CSC和BMU的实物照片，其中CSC芯片一侧被遮住。

CSC功能：CSC安装在模组的侧边，实现了单体电压的采集、电压备份和温度采集功能。主要芯片包括LT6801和6802G-2，通过Freescale的单片机进行总线传输。

BMU功能：BMU采用非对称结构布置，在其内部实现了绝缘测量和HVIL功能。

S-Box功能：S-Box实现了继电器、预充电阻、电流测量等一体化设计。

图8 分布式架构

由于CSC具有足够的空间来容纳采集芯片、备份芯片和均衡电阻，所以即使在经过三防漆处理后，系统仍然能够实现56欧的均衡。相对而言，散热设计也相对简单一些。

CSC的功能安全设计经过精心考虑，采用CAN信号的光耦耦合输出。同时，内部采用运放比较器来比较MCU处理过充信号和备份芯片，以独立发送过充等功能安全信号。通过侧边安装的方式，各种长方形和正方形的模组设计都能轻松适应。相比之下，iMIEV和A3 PHEV的模组上方设计对模组设计有一定的限制，如图11所示。

图9 2015年上海车展均胜电子展台上的CSC模块

图10 车展上的BMU模块照片

图11 模组上方的CSC嵌入安装方式

总体而言，电池系统模块化的趋势十分明显。分布式的CSC模块直接安装在模组上方，进一步简化了电池采样线的设计。

第四部分产品设计中的考虑

BMS的寿命设计与工作时间分析

对于传统汽车和HEV而言，时间可以分为：a)上车之前的时间，包括从芯片厂家运输到PCBA组装厂并成为部件产品，然后运送到整车企业组装厂待上车；b)运行时间，即开车的时间；c)非运行时间。

根据SAE J1211中的两个例子，Door Module的工作时间为8000小时，非工作时间（睡眠模式）为79600小时，而变速箱控制器为6000小时/125400小时=131400小时。对于HEV的BMS来说，情况也类似，工作时间最高不超过8000小时即可。

然而，在充电车辆的情况下，存在一个充电状态，即使引擎关闭。因此，我们需要重新调整估计。根据国外的寿命设计要求，预期车辆寿命为15年，初步估计每天的开车时间为1.46小时，开车时间为8000小时，每天的充电时间为2-6小时，充电时间为10950-32850小时。在充电时，BMS的组件仍需要工作。因此，不仅开车里程多、使用时间长的人会对整个BMS系统的寿命产生重大影响，充电时间长的情况也是如此。

换个角度来看，在中国，客户预期的车辆寿命为8年，以50公里的角度来估算，通常需要约12度电。我们再次估算时间分配。模式2为220V AC和8A，输入功率为1.7KW，电池系统功率为1.5KW，充电时间为8小时；模式3为220V AC和16A，输入功率为3.3KW，电池系统功率为3.0KW，充电时间为4小时。因此，每天的开车时间为2小时，充电时间为4-8小时。总体而言，每天的开车时间为5840小时，充电时间为116800-23360小时。