電動大巴系統(tǒng)電池BMS主控制器和應(yīng)用層軟件設(shè)計

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統(tǒng)都可以使用APM。飛兆半導(dǎo)體向汽車市場提供用于高壓和低壓系統(tǒng)的APM器件，它們幾乎都用來驅(qū)動三相馬達和制動器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術(shù)來實現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

低壓(LV)意味著以更大的電流來驅(qū)動通常與該類型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負載。低壓應(yīng)用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動助力轉(zhuǎn)向和電驅(qū)動液壓混合轉(zhuǎn)向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于芯片焊盤(die paddle)和電流通路以及多個大電流粘合引線。正溫度系數(shù)(PTC)器件、無源EMC元件、分流器都達到了更高的集成度并提高了可靠性。電動助力轉(zhuǎn)向中使用APM是實現(xiàn)機電一體化封裝和低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車時，相比液壓系統(tǒng)，降低寄生引擎負載可以減小車輛引擎的尺寸，從而更小型車輛。低壓模塊用于EV/HEV車輛，也用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃式引擎汽車上。

高壓應(yīng)用主要包括由高母線電壓或主電池組供電的泵和風(fēng)扇。典型的峰值相位電流<20A。這一市場中的模塊化解決方案類似于許多工業(yè)市場中的應(yīng)用，并使用類似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅(qū)動器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測。高壓結(jié)構(gòu)必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產(chǎn)品分為帶或不帶增強熱傳導(dǎo)的類型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關(guān)鍵，功率處理器件位于制動器附近，甚至工作于變速箱等極端環(huán)境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車輛中。

有朋友在前端時間問問BMS在大巴和乘用車里面的結(jié)構(gòu)差異，這個事情適合在假期里面寫，萬一寫錯了也第一時間可以系統(tǒng)的來改改。其實數(shù)數(shù)全球的商用車(大巴+卡車)，大致的方向還是沿著就有的習(xí)慣做HEV，國內(nèi)總體而言，是以純電動+PHEV為主的。

這是一個比較典型的案子，按照原有的A123的成組方式，比較有趣的是模組一級和BMU一級完全是一樣的，所以我們來對比兩個案子，美國的Navistar也是拿著A123的大模組來做的。

1)上汽和萬向合資BEV大巴的系統(tǒng)圖

這個圖包括模組成組，電池包布置還有系統(tǒng)框圖，其中模組(含BMU)這一級，基本是電池廠出來各個產(chǎn)品(大車、小車)都能用了

2)Navistar的HEV電池包

歐洲和美國也用了不少A123的電池系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)是非常類似的。

純電大巴的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大體根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師來布置，分成4～8個包;HEV+PHEV的包呢，分的數(shù)量少一些都包在一起。

這里的這張圖，是以前在分析五洲龍和沃特瑪電池時候畫的，這里的幾個問題其實是普遍存在的：

1)電池包分別布置在多個區(qū)域，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境條件(溫度、振動)

2)單個包，配置BMU或者繼電器之后，本身的安全性需要獨立設(shè)計，加繼電器的，整個控制系統(tǒng)的低壓控制線和通信線所受的回路比較大

3)某些系統(tǒng)是先串聯(lián)然后總的進行并聯(lián)配置，如下圖比亞迪的系統(tǒng)設(shè)計

從BMS的角度來看，電源的電壓系統(tǒng)與BMS

1)電源系統(tǒng)是基于24V系統(tǒng)，電源系統(tǒng)的特別是抑制這塊需要單獨設(shè)計，由于BMS的電源部分需要用個Buck電路來替代LDO

2)CAN抑制，同上由于線束的布置問題，CAN上面的串?dāng)_不是一點點大

3)均衡，由于大巴容量很大，很多公司用了加大的被動均衡或者主動均衡

4)由于大巴的電源波動，某些公司甚至獨立配了個12V備份電源

我個人是覺得，未來純電大巴可能形成三個分布式BMS系統(tǒng)，獨立算三個堆的參數(shù)模式，匯總到VCU這塊可能更好一些。

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(jié)構(gòu)如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓撲結(jié)構(gòu)。集中式把電子部件歸納在板塊內(nèi)，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(wěn)定性不足。分布式由主板、從板組成，系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)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(jù)汽車開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(AUTO motive Open System Ar-chitecture，簡稱AUTOSAR)，架構(gòu)為了減少對硬件設(shè)備的依賴性，將BMS劃分為諸多通用功能區(qū)塊。能夠?qū)Σ煌挠布崿F(xiàn)配置，并對應(yīng)用層軟件影響較小。其需要通過RET接口與應(yīng)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(yù)留接口等靈活性要求，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用層進行配置。

1.3 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態(tài)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(fā)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(fā)。

2)充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45min內(nèi)完成沖入電量80%，要通過充電輔助電源A+信號激發(fā)，目前國標中對快充尚未完成統(tǒng)一，即存在2011和2015兩個快充版本。

3)SOC是狀態(tài)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(tài)及電池充滿狀態(tài)下的容量，一般低于80%的電池不得繼續(xù)使用;SOP需要根據(jù)溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時發(fā)出信號讓電力系統(tǒng)限定部分功能;SOE算法是用來估算剩余續(xù)航里程的，當(dāng)前開發(fā)得較為簡單，因此新能源電動車續(xù)航里程常常不準確，俗稱“空電”現(xiàn)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(dāng)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(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優(yōu)勢更為明顯，目前備受廠家青睞。

5)故障診斷主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采集、一般性故障、電氣設(shè)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(yīng)措施。