【第一电气网】（撰稿人朱玉龙）由于车辆电动化水平，乘用车电池管理系统可用于低压启动电池（12V&48V）和高压HEV电池（ 1kwh~1.@ >5kwh）和PHEV电池（4~18kwh）和BEV电池（20~85kwh）等电池系统。低压和高压系统非常不同。每个车厂和每个应用平台的电池系统差异都比较大，每个公司都有自己的风格。本文主要针对不同厂家产品的数据，根据目前各家车厂应用的内部电池管理系统，按照目前的模块进行分析。集成和分析电池管理系统的策略。应该说，未来各车厂设计理念的演进，会让高压电池系统具有一定的相似性。这里主要介绍高压电池组中电池管理系统的一些情况。整篇文章将涵盖电池管理系统结构、集中管理系统案例研究、分布式管理案例研究和产品设计几个部分。由于我的水平和对案例的了解有限，这里难免会出现一些偏差或错误。
第一部分电池管理系统结构
电池管理系统分为三种不同的配置，我们可以称之为集中管理系统、半分布式管理系统和分布式管理系统。
1)集中管理系统（大BMS模式）：这种管理结构是将采集单机电压、电压备份和温度的所有单元集中在一个BMS板上，由整体控制车辆控制器直接控制继电器控制箱。大多数低压HEV都有这样的结构，PHEV和EV的典型应用是LEAF、Cmax等。这样做的好处是相对简单、成本低，而且采集和备份在同一条线路上板，它们之间的通信也被简化了。缺点当然很明显。单次采样的线束比较长，使得采样线的设计比较复杂。当长短线均衡时，会造成额外的电压降；整包的线束排列也比较麻烦。 BMS能支持的最高通道也是有限的。这种方法成本低，但适用性比较差，有些地方性能无法保证，只能应用于较小的电池组。
2)分布式管理系统（BMU+多CSC模式）：这是将电池模块（模块和CSC在一个模式中）的功能独立分离，整个系统形成一个CSC（单CSC模式） ）车身管理单元）、BMU（电池管理控制器）、S-Box继电器控制器和整车控制器，采用三层两网的形式。典型应用如德国I3、I8、E-Golf和日本IMIEV，以及Model S。优点是可以简化模块组装过程，采样线束比较容易固定，线束间距均匀，不存在压降不均问题；后面会分析，当电池组比较大的时候，这种模式是非常有优势的。 缺点是成本高。如图 3 所示，需要一个额外的 MCU。独立的CAN总线支持各模块信息的整合，并发送至BMS。总线的电压信息对齐设计也比较复杂。这种方案系统成本最高，但移植最方便。具有单价高、开发成本低的特点。电池组可大可小。
3)半分布式管理系统（BMU+少量大型CSC方法）：简单来说，这是两种模式的折衷，主要用于模块奇特的封装，典型应用如智能 ED 和 Volt。这是为了让电池管理子单元更大，收集更多的单通道。这样做的好处是整个系统的组件较少，但需要注意的是，这种方法的优点并不明显。成分多，功能集中度高，是三种方案中成本最高的方案。
图 1 三种电池管理系统架构
图2部分主流车辆的管理系统划分
图3分布式和集中式架构的基本比较
可以说，如果把整车控制和电池管理系统放在一起，整个功能分布会更加完善。功能划分后，我们可以进一步定义各个组件的硬件和软件。整体趋势变化：
a)BMS+BMU 单元肯定会保留功能
· 单节电池相关功能（电压、温度测量和备份、均衡）
·SOx的算法和功率限制
· 与 VCU 的通信
· 自我诊断和少数记录
·绝缘检测
b) 可以转移到配电箱的功能
·高压测量
·继电器控制和诊断
· 当前测量
c) 可以转移到车辆控制器的功能
·充电控制
· 热管理控制
典型的函数分配如下图 4 所示。
图4 三种模式的功能分配案例
第二部分：LEAF集中管理系统案例研究
日产的工程师采用了传统集中式的典型布置，这是技术演进的结果（日产自 1990 年代以来一直在测试测试车辆 EV、Altra EV 和 Hyper Mini），更像是对原始 HEV 的电池组进行了优化整个模块中，所有模块直接由BMS采集，并由传统配电箱处理。
BMS功能：安装在24个模块的侧面，通过6个连接器与电池模块内部、电池组配电箱和车外连接。
电池内配电箱：该配电箱类似于混合配电箱，仅包含主正极、主负极、预充电继电器和预充电电阻。
电流传感器：电流传感器独立安装。
图5 LEAF内部模块连接示意图
BMS的电路结构如下图所示。可以看到，采集了48个模块96个通道的单路电压，所以整个采样部分是密密麻麻的。这样的设计很难实现大电流的无源均衡算法。其实这里并没有采用大电阻的方法。
图 6 LEAF BMS 控制器概览
由于 的长期技术发展，使用 继电器并不奇怪。这里需要注意的是，配电箱对噪声抑制有很强的设计要求。
图7 2011年和2013年配电箱对比
总的来说，以LEAF为代表的集中式电池管理系统在电池系统的使用上存在很多应用限制。
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第三部分：分布式I3管理系统案例研究
典型的分布式架构，我们可以从宝马的系统来看。该系统自BMW与A123（3,5,7)系列车型合作以来一直使用此系统，其次是I3和I8电池，至今仍在系统的电子系统中使用。图片为CSC和BMU摄于2015上海车展均胜电子展台，覆盖CSC芯片面。
CSC功能：安装在模块侧面，实现单电压采集、电压备份、温度采集等功能。主芯片是和6802G-2，通过单片机通过总线发送出去。
BMU功能：这是一种非对称结构的MCU排列，在BMU中实现绝缘测量和HVIL功能。
S-Box功能：这里是继电器、预充电电阻、电流测量等一体化设计。
图 8 分布式架构
由于CSC有足够的空间放置采集芯片、备份芯片和均衡电阻，即使经过三防漆处理后系统可以达到56欧的平衡，散热的设计也比较简单.
CSC的功能安全设计也经过深思熟虑，采用CAN信号的光耦耦合输出；同时内部运放比较器用于比较MCU处理过充信号的方式和备用芯片独立发送过充等功能安全信号的方式。侧装方式使各种矩形和方形模块的设计变得容易。相比较而言，iMIEV和A3 PHEV模块以上的设计对模块设计还是有一定限制的，如图11所示。
图 9 CSC 模块在 2015 年上海车展均胜电子展台上
图10 BMU模块在车展上的照片
图11 CSC嵌入式模块上方安装方法
总的来说，电池系统模块化的趋势是明显的。分布式CSC模块直接安装在模块上方，进一步简化了电池采样线的设计。
第四部分：产品设计中的注意事项
1)BMS寿命设计对应的工作时间分析
传统汽车，其实HEV的运行机制与传统汽车基本相同。我们可以将时间划分为： a) 上车前的时间：从芯片制造商运输到PCBA组装厂成为组件产品，然后再运输到OEM的组装厂进行装载在车辆上。 b) 运行时间，即行驶时间和 c) 非运行时间。
我们将按照Door 8000工作小时79600非工作小时（睡眠模式）和传输控制器（6000小时/小时=小时）内的两个示例。对于BMS，HEV也是一样，最长工作时间不超过8000小时。至于充电车，问题是发动机熄火后还有充电状态。现在让我们重新调整估计。根据国外寿命设计要求，15年汽车寿命初步估算为每天8000小时1.@>46小时的行驶时间，每天2~6小时的充电时间为10950~32850小时。充电时，所有BMS组件都要工作，而这个问题就变成了，不仅行驶里程多、时间长的人对整个BMS系统的寿命造成严重影响，而且充电慢。
那我们换个角度来看。如果是在中国，客户的预期寿命是 8 年。按照50KM的角度，一般需要配置12度电左右。让我们估计一下使用时间的分布。模式 2 220V AC & 8 A 输入1.@>7KW 电池系统1.@>5KW 充电时间为 8 小时，模式 3 220V AC&16 A
进入3.3KW电池系统3.0KW充电时间为4小时=>5840小时每天2小时行驶时间+～23360小时每天4～8小时充电时间。
2)环境负荷分析
电池管理系统车用蓄电池管理系统，由于高压部分和低压部分，基本具备原电控单元需要做的12V电气测试和电气要求，而且由于整个电池系统有明显的倾向安装在底盘和车架上，机械应力设计要求不低。环境也是安装条件的问题。如果电池组设计得更好，压力可能会更小。
a) 环境设计要求
需要具备防水功能，不仅包括电池组因密封胶老化导致的IP等级，还要考虑内部冷凝或内部冷却液泄漏，电池系统进液故障。考虑到中国的城市下水道问题，这个问题比国外大城市还要严重。
它必须具有防止盐雾和湿热的功能。由于盐分空气和湿气的交替凝结，电池系统会引起腐蚀或绝缘退化。
b) 电气特性要求：
所有隔离电路部分的介电强度大于2000V，绝缘电阻大于10MΩ，爬电距离符合IEC要求。
EMC如下表所示
满足电气故障要求车用蓄电池管理系统，电源反接，电源短路保护，接地短路保护，过压保护和引脚短路保护。
图12 常用电控单元负载要求标准对应表
3)软件系统设计
我对整个软件系统的设计有点生疏。总的来说，BMS的核心价值不仅仅与算法有关，离线电池模型的建立和电池寿命预测也会对BMS的内部软件系统产生深远的影响。本篇篇幅有限，在此不再展开。有机会我会一一介绍。
全文摘要
1)本文还是对乘用车BMS做一些阐述。在实际的产品设计中，整个设计更加严谨细致。在这里，我将给出一些大纲。
2)电池管理系统的技术仍然与电池模块和电池组的设计密切相关。目前正处于快速发展阶段。这些旧的设计理念只能作为参考。
参考资料：
1)2013年动力之钥：E-&EV Mark Lu & (IEK) (ITRI) 2013/04/12
2)BMW i3 和 BMW i8 的巅峰之作
3)Ogawa, K., , N.,, H., , T., et al., “of a High-ion for Leaf”, No.69-70, 2012.@ >
4) HEV/EV 电池的参与者