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驱动EV未来路 BMS电池管理一手包
为电池安全把关

【作者: 王岫晨】2019年05月30日 星期四

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根据市场研究机构MRFR最新报告的预测,电动汽车市场到2023年将达到3565亿美元的规模,而预期市场规模在2017至2023年,将以18.96%的年复合年成长率增加。


电动车市场潜力无穷

近年来电动车普及,大家也逐渐熟悉了电动车辆的优点。一般来,电动车是指由电池系统供电的车辆,并使用来自充电站的电力进行充电,或者由涡轮增压器、再生致动系统等自充电装置来充电。在国际上,电动车已经逐渐纳入到各国政府的发展政策之中,例如挪威的电动汽车和混合动力汽车在2017年就占了新车销售总量的近52%,此外,挪威政府也制定了一项政策目标,也就是到了2025年时,每辆售出的汽车应为零排放。


而中国也被认为是具有巨大潜力的市场,也拥有最多的电动汽车制造业。根据数据显示,中国的汽车制造商在2017年成功生产了大约68万辆全电动汽车、卡车和公共汽车,这一数字超过了全球其他地区的总和。在2017年,中国还生产了20多万辆全电动商用车,占全球总产量的近5%。


此外,许多国家已经建立了法律规范来监测车辆排放。各国采用了欧洲或联合国欧洲经济委员会(UN-ECE)行动来源排放法规的前版本,部分国家则采用了基於最新版欧洲或美国的先进法规。典型的例子就是中国,目前中国已经采用了基於欧洲第五阶段排放标准的大城市排放法规。另一方面,韩国和台湾则采用了美国的汽油车严格标准,以及欧洲柴油车辆标准。这些因素的结合,预期都将在不久的未来促进电动车市场的成长。


BMS的架构

市场上有许多不同类型的BMS,除了可以自行设计之外,甚至还可以购买随时可用的整合IC。从硬体结构的角度来看,基於其拓扑结构的BMS只有三种类型,分别是集中式BMS、分散式BMS,以及模组化BMS。然而,这些BMS的功能都是相似的。



图一 : BMS可估算电池的SOC和SOH。一般可以使用电池的电压、电流、充电曲线和放电曲线来计算SOC。SOH则可以透过充电次数和性能来计算。
图一 : BMS可估算电池的SOC和SOH。一般可以使用电池的电压、电流、充电曲线和放电曲线来计算SOC。SOH则可以透过充电次数和性能来计算。

现在来进一步从核心分析BMS的功能。BMS的主要功能是监控电池所需要测量的三个重要叁数,包括电池组中每个电池的电压、电流和温度等。我们知道电池组是透过串联或并联的配置来连接许多电池而形成的,例如特斯拉有8,256个电池,其中96个电池以串联连接,86个以并联连接来形成电池组。



图二 : 通用电池管理系统
图二 : 通用电池管理系统

如果一组电池是以串联连接,那麽我们必须测量每个电池的电压,但整个电池组的电流将相同,因为串联电路中的电流都相同。类似地,当一组电池并联连接时,我们必须仅测量整个电压,因为当并联连接时,每个电池上的电压将是相同的。


测量电池电压与温度

由於典型的EV具有连接在一起的大量电池,因此测量电池组的单个电池电压有点挑战。但只有知道单个电池电压,我们才能进行电池平衡并提供电池保护。为了读取单元的电压值,可以使用ADC。但由於电池串联连接,所涉及的复杂性很高。这意味着每次都必须改变测量电压的端子。有许多方法可以做到这一点,包括继电器、多路复用器等。除此之外,还可以透过一些电池管理IC,用来测量串联的多个电池(如12~16个)的单电池电压。



图三 : 图中显示了一组串联的电池,可以为单个电池测量电压和温度,并且测量电池组的电流。
图三 : 图中显示了一组串联的电池,可以为单个电池测量电压和温度,并且测量电池组的电流。

除了电池温度,有时BMS还必须测量母线温度和电机温度,因为一切都在高电流下工作。用於测量温度的最常见元素称为NTC,其代表负温度系数(NTC)。它类似於电阻器,但它根据其周围的温度改变(降低)其电阻。通过测量该器件的电压并使用简单的欧姆定律,我们可以计算出电阻,从而计算出温度。


测量电池电压可能非常复杂,因为它需要高精度,并且还可能从多路复用器注入切换噪讯。除此之外,每个电池都透过电池平衡开关连接到电阻器。为了克服这些问题,可以使用类比前端晶片(AFE)。AFE具有高精度的内置Mux、缓冲器和ADC模组。它可以透过共模轻松测量电压和温度,并将信息传输到主微控制器。


EV电池组可以提供高达250A甚至更高的大电流值,在实际的电流量测之中,还必须测量电池组中每个模组的电流,以确保负载均匀分布。在设计电流感测元件时,必须在测量和感测装置之间提供隔离。最常用的两种检测电流的方法是Shunt法以及透过霍尔传感器。两种方法都有其优点和缺点。较早的分流方法被认为不太准确,但随着最近可用的高精度分流器设计与隔离放大器和调制器,将比采用霍尔传感器的方法还要更合适。


电池状态估算

BMS主要能力还包括电池状态的估算,这包括SOC和SOH的测量。SOC是电池的充电状态(state of charge),SOH是电池的健康状态(State of Health)。一般可以使用电池的电压、电流、充电曲线和放电曲线等来计算SOC。SOH则可以透过使用电池的充电次数和性能来加以计算。有许多方式可以用来测量电池的SOC,每个算法都有不同的输入值。最常用的SOC方法称为库仑计数法。除此之外,还有许多其他先进和更复杂的算法,包括:


基本方法


* 安培小时(Ah)法


* 开路电压(OCV)法


* 阻抗/红外测量法


机器学习算法


* 神经网络模糊逻辑


* 支持向量机


高级方法


* 基於卡尔曼滤波的状态空间模型估计


到目前为止,库仑计数法是最常用且最易於理解的方式。它是透过『总电荷输入和电池最大容量之间的比值』来得出SOC值。公式为:


SOC =总电荷输入/电池最大容量


电动车市场细分

电动汽车市场可以根据技术和车辆类型进行细分。从技术类型来分类的话,可分为电池电动车、混合动力电动车和??电式混合动力电动车。其中,电动汽车占据了51.40%的比重(根据2016年数据),市值约547亿美元,混合动力汽车仅稍微落後。然而,??电式混合动力电动汽车则以最快的速度成长,复合年成长率为21.75%。


另一方面,若以车辆类型来分类,全球电动车辆市场被分割成乘用车、商用车辆和双轮车。其中,乘用车在2016年的市场比重最高,为68.20%,价值约726亿美元。而乘用车也有最快的成长速度,年复合年成长率为19.93%。


区域展??

全球电动汽车市场市场大致可分为亚太地区、欧洲、北美和世界其他地区。在近几年来,亚太地区几??是电动车发展最为迅速的区域,根据2016年的调查数据,其市场占有约为53.2%,市场规模567亿美元,年复合成长率为20.35%。在未来几年,中国,日本和韩国等国家的将更带动亚洲区域的电动车市场前进,这也是该区域电动汽车市场利润丰厚成长模式背後的主因。在亚洲地区,中国被认为是电动汽车和电动双轮车的最大市场,自2015年以来,该两种车辆在中国的销量大幅增加。而电动车也为该地区的汽车制造商创造了更大的商机。而包括现代汽车、特斯拉等汽车制造商,也正在努力开拓印度电动汽车生产。


在欧洲方面,电动汽车市场在过去几年中享有极具吸引力的利润,其中有多种因素带动了上述的成长,包括柴油技术的持续萎缩,以及客户对电动车的兴趣日益增加等。其中,德国的市场动力最为明显,近年来该市场已经成长了一倍以上。因此,德国也成为仅次於挪威之後,欧洲第二大电动汽车市场。


至於在北美市场,影响北美电动汽车发展的因素,包括政府对激励措施的支持,以及提高了该地区电动汽车销售量的补贴措施等。例如美国联邦政府便根据电池规模,提供高达7,500美元的所得税抵免。除此之外,还有其他各种州级的奖励措施,通常都是采用退税的形式。另一方面,在加拿大,许多基金也都为电动汽车的成长提供了强有力的支持。而锂离子电池价格的下降,可以被视为电动车产业中的一个积极信号,因为这将使电动汽车的价格更加实惠。


印度政府策略


图四 : 印度政府提出了一项双管齐下的策略,努力为电动车买家和制造商提供协助。
图四 : 印度政府提出了一项双管齐下的策略,努力为电动车买家和制造商提供协助。

目前积极开发电动车的知名厂商包括特斯拉、日产汽车、福特汽车、大众汽车、宝马、丰田汽车、戴姆勒、通用汽车、三菱汽车,以及现代汽车等。特别值得关注的是印度市场。随着印度电动汽车市场的成长,该国政府提出了一项双管齐下的策略,努力为买家和制造商提供协助。该策略预期将会提供高达14亿美元的补贴,并透过进囗关税的上调,以鼓励印度国内汽车加强制造电动车的进度。


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