電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中傳感器技術(shù)應(yīng)用研究

朱永康，柏勁松

（中國(guó)人民解放軍31620部隊(duì)，福建 福州350300）

2020年全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量突破324萬(wàn)輛，在汽車(chē)總銷(xiāo)量銳減五分之一的背景下，逆勢(shì)上漲43%，未來(lái)或?qū)⑷嫒〈加蛙?chē)，市場(chǎng)潛力巨大。車(chē)載蓄電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心，直接關(guān)系到車(chē)輛壽命、行駛里程、車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性、安全性，這一切又取決于電池管理系統(tǒng)的性能。而電池管理系統(tǒng)監(jiān)控的準(zhǔn)確性、執(zhí)行動(dòng)作可靠性則依賴(lài)各類(lèi)傳感器，故對(duì)于傳感器技術(shù)的研究與分析尤為必要。

1 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡(jiǎn)稱(chēng)BMS）是監(jiān)控車(chē)用蓄電池的電壓、電流、負(fù)載、溫度等狀態(tài)，并能為其提供安全、通信、電芯均衡和管理控制，提供同應(yīng)用設(shè)備通信接口的系統(tǒng)，如圖1所示。BMS具備監(jiān)控蓄電池系統(tǒng)總電壓、電流數(shù)據(jù)，獲取單體電池、電芯組、電池模塊電壓，掌握電池包內(nèi)溫及其形態(tài)等數(shù)據(jù)。它主要由3個(gè)部分構(gòu)成，包括硬件架構(gòu)、底層軟件以及應(yīng)用軟件。

1.1 硬件架構(gòu)

BMS硬件包含CPU、電源和采樣IC、隔離變壓器、CAN模塊、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。集中式把電子部件歸納在板塊內(nèi)，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，鏈路簡(jiǎn)單，成本低廉，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不足。分布式由主板、從板組成，系統(tǒng)配置靈活，通道利用率高，適用于各類(lèi)電池組，缺點(diǎn)是電池模組數(shù)量不足時(shí)造成通道浪費(fèi)。BMS的主控制器具備處理上報(bào)來(lái)的信息、綜合判斷電池運(yùn)行情況、實(shí)現(xiàn)控制策略并處理故障信息功能。高壓控制器具備收集上報(bào)總電壓、電流，并為主板提供載荷情況（SOC）、健康狀況（SOH）所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電、絕緣兩項(xiàng)檢測(cè)功能。從控制器具備單體電池信息采集上報(bào)，擁有動(dòng)平衡功能，可以保持電芯的動(dòng)力輸出一致性。采樣控制線(xiàn)束具備同時(shí)在每一根電壓采樣線(xiàn)上添加冗余保險(xiǎn)功能，可避免電池外部短路故障（圖2）。

1.2 底層軟件

根據(jù)汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（AUTOmotive Open System Architecture，簡(jiǎn)稱(chēng)AUTOSAR），架構(gòu)為了減少對(duì)硬件設(shè)備的依賴(lài)性，將BMS劃分為諸多通用功能區(qū)塊。能夠?qū)Σ煌挠布?shí)現(xiàn)配置，并對(duì)應(yīng)用層軟件影響較小。其需要通過(guò)RET接口與應(yīng)用層軟件鏈接，介于故障診斷事件管理（DEM）、故障診斷通信管理（DCM）、功能信息管理（FIM）以及CAN通信預(yù)留接口等靈活性要求，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用層進(jìn)行配置。

1.3 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態(tài)估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)（BMS）基本架構(gòu)

圖2 電池管理系統(tǒng)（BMS）硬件架構(gòu)

1）高低壓管理主要是需要上電時(shí)，VCU通過(guò)硬線(xiàn)（CAN信號(hào)）的12V激發(fā)BMS，待后者完成自檢后閉合繼電器上高壓；需要下電時(shí)，VCU下達(dá)指令斷開(kāi)12V信號(hào)，或者在充電時(shí)由CP（A+）信號(hào)激發(fā)。

2）充電管理中慢充流程較為簡(jiǎn)單，而快充需要在45min內(nèi)完成沖入電量80%，要通過(guò)充電輔助電源A+信號(hào)激發(fā)，目前國(guó)標(biāo)中對(duì)快充尚未完成統(tǒng)一，即存在2011和2015兩個(gè)快充版本。

3）SOC是狀態(tài)估算功能的核心控制算法，表示電池剩余容量，通過(guò)特定的安時(shí)積分法計(jì)算得出；SOH是判別電池的壽命狀態(tài)及電池充滿(mǎn)狀態(tài)下的容量，一般低于80%的電池不得繼續(xù)使用；SOP需要根據(jù)溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時(shí)發(fā)出信號(hào)讓電力系統(tǒng)限定部分功能；SOE算法是用來(lái)估算剩余續(xù)航里程的，當(dāng)前開(kāi)發(fā)得較為簡(jiǎn)單，因此電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程常常不準(zhǔn)確，俗稱(chēng)“空電”現(xiàn)象。

4）均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由于電路當(dāng)中必將由于性能最差的單體電池的截止而截止，造成其余性能完備電池蓄存量的浪費(fèi)。均衡控制分為主動(dòng)和被動(dòng)，其中主動(dòng)控制將單體間能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，而被動(dòng)控制除會(huì)浪費(fèi)部分能量外，優(yōu)勢(shì)更為明顯，目前備受廠家青睞。

5）故障診斷主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采集、一般性故障、電氣設(shè)備故障、通信故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級(jí)，并采取對(duì)應(yīng)措施。

2 電池管理系統(tǒng)中傳感器應(yīng)用

BMS中主要應(yīng)用的傳感器有電流傳感器、溫濕度傳感器、電壓傳感器和位置傳感器。

2.1 電流傳感器

2.1.1 霍爾電流傳感器

霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)為變化的電壓，其屬于間接測(cè)量。可分為開(kāi)環(huán)式、閉環(huán)式兩類(lèi)，后者精度較高?；魻栯娏鱾鞲衅骱?jiǎn)化了電路，僅要連通直流電源正負(fù)極，將被測(cè)電流母線(xiàn)穿過(guò)傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測(cè)，如圖4所示。傳感器輸出信號(hào)為副邊電流，和原邊電流（輸入信號(hào)）成正比，數(shù)值較小，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換?；魻栯娏鱾鞲衅骷ジ衅鳌⒎至髌鲀?yōu)點(diǎn)于一身且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，但易受干擾，已不適用于越來(lái)越精密復(fù)雜的電動(dòng)車(chē)電源環(huán)境。

2.1.2 磁通門(mén)電流傳感器

磁通門(mén)原理（Flux Gate）即為易飽和磁芯在激勵(lì)電流影響下，激勵(lì)電流大小改變電感強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁通量大小，磁通量則如同門(mén)那樣打開(kāi)或者閉合。普通霍爾電流傳感器精度在0.5%~2%之間，而磁通門(mén)電流傳感器利用磁通門(mén)原理制作而成，精度能夠達(dá)到0.1%甚至更高，因此也稱(chēng)之為高精度電流傳感器。結(jié)構(gòu)上有也有開(kāi)口型和不開(kāi)口型兩類(lèi)，即有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩類(lèi)。此處著重介紹閉環(huán)磁通門(mén)電流傳感器，即放大磁通門(mén)激勵(lì)電流二次諧波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線(xiàn)圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態(tài)；對(duì)于HPIT系列磁通并不為零，是一種無(wú)二次諧波的對(duì)稱(chēng)形狀，如圖5所示。

磁通門(mén)電流傳感器從結(jié)構(gòu)上分為4類(lèi)，見(jiàn)表1，分別是單磁環(huán)、雙磁環(huán)、雙磁環(huán)（屏蔽）、多磁環(huán)（嵌套）。由于集具磁通門(mén)原理高靈敏性、閉環(huán)磁平衡與匝比輸出嚴(yán)格對(duì)應(yīng)性、整體磁芯封閉性、探頭補(bǔ)償消除振蕩諧波影響輸出干凈性等優(yōu)點(diǎn)，因此閉環(huán)磁通門(mén)電流傳感器被廣泛應(yīng)用于各型電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品當(dāng)中，如特斯拉Model 3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷(xiāo)車(chē)型。

圖3 電池管理系統(tǒng)（BMS）軟件架構(gòu)

圖4 霍爾電流傳感器原理圖

圖5 磁通門(mén)電流傳感器原理圖

2.1.3 穿隧磁阻效應(yīng)電流傳感器

穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）電流傳感器是全新一代磁敏元件，較霍爾器件、各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）相比（圖6），其擁有能耗低、溫漂低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠明顯改善電流檢測(cè)的靈敏度與溫度特性，故而在新一代電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中，被用于全面取代霍爾傳感器。TMR電流傳感器在檢測(cè)電流時(shí)不再需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將-40℃~85℃環(huán)境下的溫度漂移總量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。例如對(duì)于車(chē)載充電器的電流檢測(cè)與控制上，其能夠?qū)︺~排或?qū)Ь€(xiàn)電流的精準(zhǔn)檢測(cè)而使用芯片體積更小，精度、線(xiàn)性度、響應(yīng)速度和溫漂特性則更為優(yōu)化，為電動(dòng)車(chē)帶來(lái)極佳的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

表1 常用閉環(huán)磁通門(mén)電流傳感器

2.2 溫濕度傳感器

2.2.1 NTC溫度傳感器

圖6 各電流傳感器實(shí)物圖

溫度對(duì)于BMS性能發(fā)揮意義重大，為了進(jìn)一步提升電池利用率，防止電池過(guò)度放（充）電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內(nèi)置NTC溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)溫度。NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經(jīng)過(guò)陶瓷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合制成，工作原理為這些材料載流子數(shù)目少，電阻較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子數(shù)目相應(yīng)增加，電阻對(duì)應(yīng)降低（圖7）。其擁有電阻率高、熱容小、響應(yīng)快，阻值與溫度線(xiàn)性關(guān)系優(yōu)良，能彎曲、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。常用的有3類(lèi)：地環(huán)外殼NTC溫度傳感器，俗稱(chēng)“地環(huán)型”；環(huán)氧樹(shù)脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱(chēng)“水滴頭”、“小黑頭”；薄膜NTC溫度傳感器。

圖7 NTC溫度傳感器溫度測(cè)量原理圖

2.2.2 HTW濕度傳感器

濕度傳感器就是一種把環(huán)境濕度量轉(zhuǎn)變成能夠被電信號(hào)標(biāo)記的設(shè)備或者裝置，常見(jiàn)的濕度傳感器測(cè)量的量為相對(duì)濕度?，F(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上涂敷一層用感濕材料膜，環(huán)境中水蒸氣吸附在膜上時(shí)，元件電阻率、電阻值會(huì)變化，就能測(cè)出濕度。HTW-211是引進(jìn)國(guó)外的高精度濕度測(cè)量傳感器模塊，是基于HumiChip的精確且可靠的濕度測(cè)量傳感器。濕度因素在電動(dòng)車(chē)電池管理系統(tǒng)中尤為難以捕捉，但對(duì)于電池的性能、壽命影響巨大。對(duì)傳感器的濕度輸出予以溫度補(bǔ)償，得到線(xiàn)性電壓，輸入到帶有ADC的電動(dòng)汽車(chē)的BMS當(dāng)中。

2.3 電壓傳感器

電動(dòng)汽車(chē)供電系統(tǒng)的電池組由幾百個(gè)串聯(lián)電芯聯(lián)通，故而測(cè)量電壓的通道需求較大。串聯(lián)電池組為累計(jì)電壓，但單個(gè)電池電動(dòng)勢(shì)并不相同，不能簡(jiǎn)單采用單向補(bǔ)償法消去誤差。電池電壓采集需要高精度，達(dá)到1mV，而目前采集精度僅有5mV。電壓傳感器能夠讓被測(cè)電池電壓轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的傳感器，電動(dòng)汽車(chē)用的電致發(fā)光效應(yīng)電壓傳感器是測(cè)量發(fā)光材料在被測(cè)電壓發(fā)光強(qiáng)度情況來(lái)獲得被測(cè)電壓有效數(shù)值。同傳統(tǒng)的光學(xué)電壓傳感器相比，基于電致發(fā)光效應(yīng)的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測(cè)量的不穩(wěn)定性，另一方面也對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、降低生產(chǎn)成本。

2.4 位置傳感器

BMS中的位置傳感器是一項(xiàng)《電池溫控管理系統(tǒng)及電動(dòng)汽車(chē)》實(shí)用新型專(zhuān)利當(dāng)中提到的，目前在電動(dòng)汽車(chē)中尚未廣泛應(yīng)用。位置傳感器主要是用于檢測(cè)BMS系統(tǒng)中水冷裝置中冷卻液面的位置情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用于對(duì)冷卻液相對(duì)于膨脹水壺液面位置進(jìn)行檢測(cè)，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個(gè)浮漂，并在每個(gè)浮漂上安裝位置傳感器，以便于車(chē)輛在經(jīng)過(guò)陡坡等路段或冷卻系統(tǒng)中存有大量氣泡時(shí)，BMS及時(shí)調(diào)節(jié)控制主水泵與副水泵進(jìn)行切換運(yùn)行。

3 電池管理系統(tǒng)傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 功能集成化趨勢(shì)

電動(dòng)汽車(chē)一直在朝向輕量化方向發(fā)展，與此同時(shí)對(duì)于部件的集成化要求更加嚴(yán)苛。BMS是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能集成的管理系統(tǒng)，其體積較小，因此要求傳感器具備多功能一體性，進(jìn)而能夠用最少數(shù)量傳感器就能夠全面監(jiān)控電池系統(tǒng)。在發(fā)生異常時(shí)，也能夠更快更準(zhǔn)的找到故障點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)化趨勢(shì)

未來(lái)產(chǎn)品對(duì)傳感器技術(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度將越來(lái)越精細(xì)，對(duì)于電流電壓、溫濕度等數(shù)據(jù)的采集需要更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而提升用戶(hù)對(duì)電池系統(tǒng)工況的準(zhǔn)確掌握。下一步需要從理論仿真、實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面同時(shí)入手，研究探索出新一代監(jiān)測(cè)高效高精度的BMS傳感器。

3.3 產(chǎn)品安全化趨勢(shì)

功能安全是電動(dòng)汽車(chē)的基本要求，也是傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。一方面是需要確保傳感器產(chǎn)品自身使用安全性，另一方面則是傳感器支撐起來(lái)的整個(gè)BMS的安全性，這都將直接或間接影響行車(chē)安全性，影響用戶(hù)的駕駛體驗(yàn)與人身安全。4總結(jié)

隨著國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，越來(lái)越多的傳感器技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)、BMS當(dāng)中，企業(yè)應(yīng)當(dāng)把握良機(jī)為市場(chǎng)生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)、更廉價(jià)的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品和BMS。當(dāng)然在新的傳感器技術(shù)支持下，BMS也會(huì)由現(xiàn)在的“硬件+算法”體系升級(jí)到“數(shù)據(jù)+主動(dòng)式管理”體系。