電動汽車的出現(xiàn)徹底改變了汽車行業(yè)，與傳統(tǒng)的化石燃料汽車相比，它提供了一種有效且可持續(xù)的替代方案，并且排放量較低。電池管理系統(tǒng) (BMS) 是電動汽車成功和安全的關(guān)鍵部件，該系統(tǒng)管理電池，確保最佳性能、長壽命和操作安全。
概述
隨著混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 的廣泛采用，電池管理系統(tǒng) (BMS) 也得到了發(fā)展。電氣化需要推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新，包括 BMS、車載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。所有這些系統(tǒng)的核心都是使電氣化高效的功率半導(dǎo)體技術(shù)。每輛電動汽車的核心都在其電池中，而 BMS 則是監(jiān)督和調(diào)節(jié)所有相關(guān)活動的大腦。
BMS 旨在通過監(jiān)控和控制各種參數(shù)來確保電池的高效運行。它通過智能充電和放電算法來延長電池的使用壽命，還能夠預(yù)測剩余壽命，并保持電池處于運行狀態(tài)。BMS 不斷監(jiān)控每個電池單元的電壓和電流。監(jiān)控對于確保所有電池單元都在安全范圍內(nèi)運行以及整個電池提供所需電力至關(guān)重要。
由于溫度變化、充電和放電，電池單元的性能可能會有所不同。BMS 負(fù)責(zé)平衡這些差異，確保所有單元的電量均勻，這不僅可以提高電池的整體效率，還可以延長其使用壽命。由于溫度會顯著影響電池性能，BMS 會監(jiān)控電池溫度并啟動冷卻或加熱系統(tǒng)，使其保持在理想的工作范圍內(nèi)，這是避免過熱現(xiàn)象的基本條件，過熱現(xiàn)象可能會危及安全性和電池壽命。
BMS 還調(diào)節(jié)充電和放電過程，以確保安全且最佳地進(jìn)行充電和放電。這涉及管理充電和放電電流，以避免過度充電和深度放電，這些情況可能會對電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。BMS 的關(guān)鍵方面之一是它能夠檢測和防止過載或短路情況，同時保護(hù)電池免受損壞。這可確保車輛及其乘員的安全，避免不可逆轉(zhuǎn)的損壞。鋰離子電池單元需要復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)。因此，BMS 需要尖端硅片來滿足所有性能、安全性和成本參數(shù)。
電池管理系統(tǒng)如何提高電動汽車的效率
準(zhǔn)確的充電和放電管理以及電池平衡可顯著延長電池壽命，這一點尤為重要，因為電池更換占了當(dāng)今電動汽車維護(hù)成本的很大一部分。BMS 有助于優(yōu)化車輛的能源效率，確保電池中存儲的能量得到最佳利用，從而隨著時間的推移提高續(xù)航里程和性能。
BMS 能夠持續(xù)監(jiān)測溫度、電壓和電流，大大降低了電池相關(guān)事故(如過熱或短路)的風(fēng)險，從而提高了電動汽車的運行安全性?？焖俪潆娤到y(tǒng)需要先進(jìn)的管理來避免電池?fù)p壞。從這個意義上講，BMS 可以最佳地適應(yīng)不同的充電條件，調(diào)節(jié)功率和溫度，從而實現(xiàn)更快、更智能的充電，而不會損害電池系統(tǒng)的健康狀況。一項將推動 BMS 發(fā)展的新研究前沿是通過能夠帶來顯著性能優(yōu)勢(如更高的能量密度、可靠性、安全性、更長的使用壽命、快速充電和熱穩(wěn)定性)的材料研究電池的新化學(xué)特性。
BMS技術(shù)方面
分布式 BMS 架構(gòu)的特點是采用模塊化結(jié)構(gòu)。這通常包括三個主要子系統(tǒng)：電池監(jiān)控單元 (CSU)、電池控制單元 (BCU) 和電池斷開單元 (BDU)。CSU 通過感測每個電池的電壓和溫度來收集所有電池單元的參數(shù)信息，并通過執(zhí)行電池平衡來幫助補償電池單元之間的不一致。CSU 與電池組電池緊密配合，連接電池監(jiān)控設(shè)備線路并確保將必要的電池組數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)街鳈C BCU。
CSU 提供詳細(xì)的電池健康測量，以最大限度地發(fā)揮電池組的優(yōu)勢。如果沒有 CSU，就很難獲得有關(guān)電池狀態(tài)的信息?？傮w而言，在封裝中實施復(fù)雜的 CSU 有利于車輛的充電周期，從而提供更安全、更完善的整體體驗。CSU 生成的診斷數(shù)據(jù)可以估計電池的健康狀態(tài)和充電狀態(tài)，這直接影響系統(tǒng)的功能安全目標(biāo)。BCU 由通信芯片和 MCU 組成。通信芯片是 MCU、CSU 和 BJB 之間的接口，將來自 CSU 和 BJB 的信號轉(zhuǎn)換為解碼的位流以發(fā)送到 MCU。
MCU 查詢來自 CSU 和 BJB 的所有測量信息，計算電池狀態(tài)，并對來自 CSU 和 BJB 的故障或診斷做出響應(yīng)。BCU 必須整合來自 CSU 的參數(shù)信息，還必須檢測電池組的電壓和電流以進(jìn)行管理。根據(jù)收集到的電壓、電流和溫度的所有數(shù)據(jù)，BCU 負(fù)責(zé)根據(jù)每個電池的整體狀況分配如何對電池進(jìn)行充電和放電。通過計算充電狀態(tài)、功率狀態(tài)和健康狀態(tài)來持續(xù)監(jiān)控電池狀況。
BCU 的另一個重要特性是智能保護(hù)控制，因為 BCU 必須執(zhí)行絕緣監(jiān)控、在發(fā)生事故或短路時控制接觸器、持續(xù)監(jiān)控溫度傳感器并執(zhí)行診斷以驗證輸入處的所有參數(shù)是否有效。信息通過控制器局域網(wǎng) (CAN) 通信傳輸?shù)杰囕v控制單元或電子控制單元。
盡管電纜現(xiàn)在是實施 BMS 的標(biāo)準(zhǔn)方法，因為它們是實現(xiàn) ASIL D(汽車安全完整性等級 D)合規(guī)性的最可靠方法，但它們也存在一些缺點，例如故障和維修。無線 BMS 可以節(jié)省成本并提高生產(chǎn)效率。無線 BMS 除了降低由接線和連接器導(dǎo)致故障的風(fēng)險外，還有助于減輕重量并在電池組中提供更多空間。有了更多的可用空間，您就可以添加更多電池。
電池數(shù)量增加和重量減輕可以延長續(xù)航時間。無線 BMS 還可以通過其固有隔離功能幫助節(jié)省組件成本，因為無需使用共模變壓器、電容器或扼流圈來實現(xiàn)隔離。一些因素需要持續(xù)估計電池容量，以便準(zhǔn)確評估充電狀態(tài)，從而實現(xiàn)最佳使用和每次充電的更好功能。雖然電池制造商提供額定容量，但這往往會隨著時間的推移而改變。影響電池容量減少的一些重要設(shè)計因素包括高溫、占空比、放電深度和老化。準(zhǔn)確估計電池的剩余電量會直接影響續(xù)航里程。此外，準(zhǔn)確測量電池的健康和充電狀態(tài)可以決定駕駛員是否需要更換電池或等到發(fā)生明顯的危險事件而導(dǎo)致電池故障。
最后的考慮
BMS 架構(gòu)不斷發(fā)展。每個設(shè)計師都努力解決的三大 BMS 挑戰(zhàn)是最大限度地提高自主性、降低成本和提高安全性。因此，電池管理系統(tǒng)是電動汽車的一個基本方面，可確保電動汽車電池的正常運轉(zhuǎn)和安全性。通過持續(xù)監(jiān)控、電池平衡和智能充電管理，BMS 有助于最大限度地延長電池壽命并確保長期可靠的性能。
然而，電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域仍面臨各種挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題。目前正在進(jìn)行研究以解決諸如降低 BMS 組件成本、提高電池能量密度和改進(jìn)冷卻技術(shù)等問題。此外，未來的 BMS 開發(fā)可能包括集成先進(jìn)技術(shù)，例如人工智能，以實現(xiàn)更復(fù)雜、適應(yīng)性更強的電池管理，從而限制故障率并提高系統(tǒng)級可靠性。
為了制造更具成本效益和高性能的 HEV/EV 汽車，挑戰(zhàn)在于如何在實現(xiàn)這些優(yōu)勢的同時，保持盡可能低的能耗，同時保持智能設(shè)計。組件小型化和優(yōu)化還可以為電動汽車制造商提供更大的設(shè)計靈活性。盡管目前面臨挑戰(zhàn)，但電動汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展和研究創(chuàng)新有望在 BMS 方面取得重大改進(jìn)，使其成為未來可持續(xù)出行的戰(zhàn)略要點。
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