鉅大LARGE | 點擊量：807次 | 2021年12月23日
如何重新含義電動汽車電池管理系統
隨著電氣化動力系統變得日益復雜，BMS要執行的功能增多，承受的負擔之重前所未有。
無論是簡單的充電控制器還是復雜的控制單元，關于電池管理系統（BMS）的需求都在迅速上升，尤其是電動汽車領域。除了傳統的充電狀態監控外，BMS系統還必須遵守日益嚴格的安全法規，重視控制和待機功能、熱管理和用于保護OEM車廠電池的加密算法。未來，甚至車輛控制單元（VCU）的部件和功能也會與BMS相關聯。
未來，BMS將在電動汽車領域發揮重要用途。然而BMS的各個子功能往往由OEM車廠定制，會因系統配置不同而存在很大差異。因此，不可能制定出適用于每一個電動汽車制造商的完整的BMS要求列表。然而，電池管理系統處理的任務范圍不斷擴大，這一事實毋庸置疑。BMS最常見的要求包括安全要求、控制和監控功能、待機功能、熱管理、加密算法和預留可擴展接口新增新功能。
安全要求
在ISO26262安全標準范圍內，如BMS等特定的電氣和電子系統將被歸類為從ASILC至ASILD的高安全類別。與之對應的故障檢測率至少為97%至99%。電池系統中最危險的故障來源有：因電纜磨損或事故而導致車輛底盤出現高電壓漏電而未被發現；各種引起高電壓電池起火或爆炸的原因：例如對電池過度充電（例如在公用電網上或因停電恢復引起）、電池過早老化（例如爆炸性氣體泄漏）、液體進入和短路（例如因雨水引起）、濫用（例如維修不當）和熱管理錯誤（例如冷卻失效）等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在安全方面，主開關（主繼電器）在防止與高電壓相關的事故中起到了重要的用途，它可確保BMS電子系統能夠作出充分的故障反應。發生故障時，BMS模塊會在適當的故障反應時間內斷開開關（例如10ms以內）。非關鍵故障安全條件的特點通常是：假如BMS微控制器（MCU）失效，甚至在控制器邏輯完全失效的情況下，獨立的外部安全元件（例如窗口看門狗）仍可確保主開關繼電器可靠地打開逆變器（正/負）的兩個高電壓觸點。BMS系統中還集成了其他安全功能，包括漏電電流監控和主開關繼電器監控。
控制和監控功能：
其他BMS功能包括對電動汽車中昂貴的高電壓電池的監控、保養和維護。BMS控制和監控功能來源于安裝于電池包中的電子平衡單元。管理各個電池組內（batteryslavepack）的平衡，同時精確地感測各個單電池的電壓。平衡芯片通常可管理多達12個單電池組成的群組。相關數量的電池群組串聯后可出現高達數百伏的高中間電路電壓以供逆變器控制之用，這是電動汽車的逆變器電驅動所必需的。位于主開關對所有高電壓電池的總電流的測量，以及從芯片對各個單電池電壓的單電池精確同步監控，BMS可使用特定算法（例如，基于電池化學MatlabSimulink模型）評估充電狀態及健康狀態等電池參數。BMS通常不會安裝在非常靠近高電壓電池的位置，但是通常會通過冗余的流電去耦總線系統（比如CAN或其他適合的差分總線）與電子平衡從動元件相連接。它由汽車電壓（12伏電池）供電，因此可通過現有的網絡架構與現有的控制單元群組結合使用，無需進一步的流電去耦措施。最后，它還改善了安全性，因為它讓BMS能夠在高電壓電池發生機構或化學缺陷時確保功能正常并且安全地斷開主開關。
隨著電池專用的化學/電氣算法日益復雜，預計BMS將要使用擁有2.5MB至4MB閃存和強大的多核處理器架構的AURIX等微控制器（MCU）。這種組合可以保證有足夠的內存用于全面校準參數并供應足夠的計算能力。
待機功能：
電動汽車制造商傾向于定期監視電池組和各個單電池的充電狀態。因此，BMS必須供應專門的低功耗待機功能，該功能僅要μA級極小的MCU功耗且能夠借助按時器快速喚醒系統，例如，在BMS激活模式下通過平衡芯片記錄特定的單電池數據。為借助喚醒按時器實現BMS的循環喚醒，AURIX微控制器有多個型號均在獨立的低功耗域內（在同一芯片上）集成了一個8位單片待機MCU。
熱管理：
出于設計原因，高電壓電池模塊通常包含主動熱管理，比如用于冬季的加熱器和用于夏季的冷卻系統。這些可通過風冷或水冷實現。在這兩種情況下，BMS均用于感測電池的相關溫度數據和主動執行及控制散熱器（例如，風扇電機或水泵）。AURIX微控制器具有內置的ADC采樣器和多種按時器功能，可勝任此任務。
加密算法：
應防止電動汽車的原裝OEM電池受未經授權的第三方維修。更換電池群組中的單電池或組裝從廢舊電池上拆卸的個別零部件，會掩蓋與安全相關的故障甚至是爆炸或火災危險跡象。為保證車廠確認電池保修的正常性，英飛凌的Origa芯片等適當的保護模塊應直接安裝于各個單電池群組。同時，在MCU中集成硬件安全模塊（HSM）構成的電池個體數據邏輯保護可作為一種低成本的備選方法。
在這種情況下，由于電池可控制這些參數并將它們存儲于受HSM保護的安全數據存儲器，AURIX中的HSM可有效檢測上述電池的各個參數。例如，在使用壽命方面，通過這種方式將各個單電池狀態存儲為AES加密檔案，如此可基于此數據檢測未經授權的各個單電池更換。我們可以將典型的電池群組檔案比作一個指紋，其唯一性將有利于檢測存在更換的群組。加密算法的另一個應用領域是負責監控和比較由外部供應商計算的充電量與由BMS實際測量所得的充電量。未來的任務：
根據制造商選擇的電動汽車特定電子拓撲結構，目前已有高階驅動策略的逆變器控制單元和獨立的整車控制單元，即VCU。同時還有整個轉矩控制系統，這些系統還具有其它高級功能，如智能電源管理器等。電源處理器（通過集成的導航單元）將駕車路線規劃涵蓋在內，可根據具體路線優化整個電源系統，因此有助于新增電池的行駛距離范圍。
獨立的OEM廠商現在正在考慮將以前的VCU的所有部件改設至BMS和逆變器控制單元中，從而減少電動汽車的總電子元件成本。去除VCU的先決條件歸根結底是由BMS可處理的微控制器特定參數所決定，比如閃存和SRAM的數量和性能、各個控制單元功能在實時能力方面的獨立性和在共享的可擴展的微控制器架構上無縫集成安全相關軟件功能（從QM至ASILD）等。針對這一特定情況，英飛凌推出了基于三核處理器的AURIX多核架構的控制器硬件，可在未來的BMS客戶應用中集成所有上述要求功能。
