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BMS功能安全開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)介

& 各大廠商BMS設(shè)計(jì)方案匯總...

一、BMS簡(jiǎn)介 

BMS即Battery Management System，電池管理系統(tǒng)的意思。作為新能源汽車“三電”核心技術(shù)之一，BMS在HEV/EV上扮演重要作用。廣義上，BMS包含傳統(tǒng)的12/24V鉛酸電池管理，這里討論的BMS主要是針對(duì)HEV/EV的動(dòng)力電池管理，從48V的弱混動(dòng)到500V以上的全電動(dòng)，恩智浦的BMS解決方案都可以覆蓋。

一般來(lái)說(shuō)，BMS由一個(gè)主控單元和多個(gè)從控單元組成，從控單元直接連接電池包（Battery Pack），采集電池的電壓、電流和溫度等，主控單元通過(guò)CAN總線或Daisy Chain（菊花鏈）通信等方式管理多個(gè)從控單元。

按照新能源汽車對(duì)電池管理的需求，BMS具備的功能包括SOC/SOH估算、故障診斷、均衡控制、熱管理和充電管理等。SOC即電池荷電狀態(tài)，用于衡量電池剩余電量，對(duì)于判斷汽車可行駛里程十分重要。故障診斷用于判斷電池的當(dāng)前狀態(tài)，及時(shí)正確識(shí)別電池充放電過(guò)程中的過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫等異常情況有助于避免事故發(fā)生。均衡控制主要是消除單體電池之間的容量差異，達(dá)到一致性，延長(zhǎng)電池使用壽命。

電池管理系統(tǒng)BMS架構(gòu)如下：

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要功能：

電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個(gè)本世紀(jì)才誕生的新產(chǎn)品，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)的難以控制和材料在這個(gè)過(guò)程中性能變化的難以捉摸，所以才需要這么一個(gè)管家來(lái)時(shí)刻監(jiān)督、調(diào)整、限制電池組的行為，以保障使用安全，其主要功能為：

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)電池的外特性參數(shù)（如電壓、電流、溫度等），采用適當(dāng)?shù)乃惴ǎ瑢?shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；

2. 在正確獲取電池的狀態(tài)后進(jìn)行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報(bào)警等；

3. 建立通信總線，與顯示系統(tǒng)、整車控制器和充電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要部件：

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要分為兩部分，第一部分是前端模擬測(cè)量保護(hù)電路（AFE），包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測(cè)電路、電池平衡驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流量測(cè)、通訊電路；第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊，就是依據(jù)電壓、電流、溫度等前端計(jì)算，并將必要的信息通過(guò)通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。

或者可以分為如下幾個(gè)部分：

1）模擬前端采集模塊：主要用于對(duì)電池組電壓，充電電流，放電電流，單體電壓，電池溫度，等參數(shù)進(jìn)行采集。通常采用隔離處理的方式。（除溫度信號(hào)）

2）電池保護(hù)電路模塊：通常這部分是采用軟件控制一些外部器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如通過(guò)信號(hào)控制繼電器的通斷來(lái)允許或禁止充放電設(shè)備或電池的工作以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池保護(hù)。

3）均衡電路模塊：主要用于對(duì)電池組單體電壓的采集，并進(jìn)行單體間的均衡充電使組中各電池達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。

4）下位機(jī)模塊：信號(hào)處理，控制，通訊。

二、 BMS功能安全開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)介

ISO26262定義的功能安全標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的管理、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、服務(wù)和報(bào)廢等階段，覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)主要關(guān)注的階段有概念、系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)、硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)等階段。在功能安全概念階段要做系統(tǒng)危害分析（Hazard Analysis）和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（Risk Assessment），得出汽車安全完整性等級(jí)ASIL（AutomoTIve Safety Integrity Level）。ISO26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A到D四個(gè)安全等級(jí)，其中D級(jí)為最高等級(jí)，相應(yīng)的需求最為苛刻。一般而言，主流車廠認(rèn)為BMS應(yīng)該需要達(dá)到的安全等級(jí)至少是ASIL-C。在得出安全等級(jí)ASIL后，需要設(shè)立安全目標(biāo)（Safety Goal），并提出相應(yīng)的安全需求（Safety Requirement）和安全機(jī)制（Safety Mechanism），并在必要的時(shí)候做功能安全等級(jí)分解。ISO26262給出了三個(gè)指標(biāo)：?jiǎn)吸c(diǎn)故障指標(biāo)SPFM，潛在故障指標(biāo)LFM和隨機(jī)硬件失效指標(biāo)PMHF，用于去評(píng)估系統(tǒng)的安全性等級(jí)。

ISO26262 安全生命周期如下：

例如，在BMS開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)BMS的危害分析有過(guò)壓（過(guò)充）、欠壓、過(guò)溫和過(guò)流等危害事件，如過(guò)壓可能是一個(gè)比較嚴(yán)重的事件，尤其長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電池過(guò)充會(huì)導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生，通過(guò)對(duì)過(guò)充這個(gè)事件進(jìn)行危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出其安全等級(jí)是ASIL-C或者ASIL-D（在不同應(yīng)用場(chǎng)景下分析下得出的安全等級(jí)可能不一樣），那么系統(tǒng)的安全目標(biāo)就是BMS應(yīng)該能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池過(guò)充情況并作出處理，對(duì)應(yīng)地，要從單點(diǎn)失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計(jì)安全機(jī)制，最后用前面提到的度量指標(biāo)進(jìn)行安全性評(píng)估。

三、 BMS設(shè)計(jì)方案匯總及學(xué)習(xí)參考

 

目前的電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，被國(guó)外廠商壟斷，都選用國(guó)外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理IC，并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

在方案設(shè)計(jì)芯片選型中有如下規(guī)格需要注意：

一. 均流方式 ,如何保證各節(jié)電池的電量平衡。    

1、 被動(dòng)式均流，通過(guò)耗能器件消耗能量，使其達(dá)到平衡。缺點(diǎn)是發(fā)熱嚴(yán)重。   

 2、主動(dòng)式均流，通過(guò)能量轉(zhuǎn)移的方式使其達(dá)到平衡。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高。

二、模擬前端芯片的選擇。主要參數(shù)對(duì)比如下：

1、可測(cè)量多少節(jié)電池的級(jí)聯(lián)。

2、是否自帶ADC,以及ADC測(cè)量精度及轉(zhuǎn)換速度。

3、與MCU通訊方式。

4、是否可級(jí)聯(lián)以及最大值。

5、價(jià)格

三、電流的測(cè)量精度。霍爾傳感器的使用。

四、過(guò)壓過(guò)流過(guò)溫的保護(hù)取決于ADC的測(cè)量速度，以及MOSFET的通斷時(shí)間。

 

電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)方案匯總，以ADI、Atmel（愛(ài)特梅爾）、英飛凌（Infineon）、Intersil、Linear、Maxim、O2Micro 、TI、NXP等九大方案為例，僅供參考說(shuō)明。

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