原创 从硬件、软件架构两方面认识电池管理系统(BMS)

2022-1-6 11:37 6850 19 8 分类: 电源/新能源

来源:小鹏汽车知乎号

电池管理系统,核心就在管理二字。

既然是系统,那就从硬件架构、软件架构两方面来认识BMS。

第一步,认识电池管理系统的硬件架构
图1
  1. 主板,作为BMS的大脑,会收集来自各个从板(通常叫LCU)的采样信息,通过低压电气接口与整车进行通讯,控制BDU(高压分断盒)内的继电器动作,实施监控电池的各项状态,保证电池在充放电过程中的安全使用;
  2. 从板(LCU),作为BMS的哨兵,实施监控着模组的单体电压、单体温度等信息,将信息传输给主板,具备电池均衡功能,从板与主板的通讯方式通常是CAN通讯或者菊花链通讯(一种像菊花形状一样从中心到周边的通讯方式,不要想歪了…);
  3. BDU,是电池包电能进出的大门,通过高压电气接口与整车高压负载和快充线束连接,包含预充电路、总正继电器、总负继电器、快充继电器等,受主板控制;
  4. 高压控制板,电池包电能进出的大门门卫,可集成在主板(如图1),也可独立出来,实时监控着电池包的电压电流,同时还包含预充检测和绝缘检测功能。


第二步,认识电池管理系统的软件架构。

面对汽车逐步的电动化、智能化、网联化,汽车电子的软件开发也越来越复杂,所以AUTOSAR联盟也就应运而生了。

AUTOSAR即是Automotive Open System Architecture(汽车开发系统架构),AUTOSAR的分层模型架构使得主机厂、供应商、科研机构可以联合开发、高效配合,构造出强大的软件系统

图2

成熟的BMS软件开发通常是基于AUTOSAR架构开发。AUTOSAR架构将运行在Microcontroller之上的ECU软件分为:Application、RTE、BSW三层,如图2,接下来简单介绍下AUTOSAR各分层的分工情况:

  1. Application应用层,将软件都划分为一个ASWC(Atomic Software component),包括硬件无关的Application Software component、Sensor Software component、Actuator Software component等。对于电池管理系统,其功能绝大部分算法逻辑都是在应用层进行,也是BMS软件开发的核心工作。
  2. RTE运行环境,提供基础的通讯服务,支持Software Component之间和Software Component到BSW的通讯(包含ECU内部的程序调用、ECU外部的总线通讯等情况),RTE使得应用层的软件架构完全脱离于具体的单个ECU和BSW。
  3. BSW基础软件层,如图3所示可细分为:Services Layer、ECU Abstraction Layer、Microcontroller AbstractionLayer和Complex Drivers Layer。
图3

每层的BSW都保护不同的功能模块,介绍如下:

Service Layer,服务层,位于BSW最上层,将各种基础软件功能以服务的形式封转起来,供应用层调用,包括RTOS、通讯与网络管理、内存管理、诊断服务、状态管理、程序监控等服务。

ECU Abstraction Layer,电控单元

抽象层,封转了微控制器层以及外围驱动设备的驱动,将微控制器内外设的访问进行统一,使上层软件应用与ECU硬件相剥离。

Microcontroller Abstraction Layer,微控制器抽象层,位于BSW的最底层,包含访问微控制器的驱动,使上层软件与微控制器相分离,便于应用的移植。

Complex Drivers Layer,复杂驱动层,为了满足实时性等要求,可以利用复杂驱动让应用层通过RTE直接访问硬件,也可以利用复杂驱动封转已有的非分层的软件,以实现项AUTOSAR软件架构逐步实施。

可能这么说题主还不太理解,举个形象的例子。

我们假设搭建BMS的过程和盖一栋大楼差不多(先不管这栋大楼是干什么用的)。

那么,BSW基础软件层,就是我们这栋大楼的地基以及地下基础设施建设部分。比如,外部供电设备,内部发电机,机房,监控室,仓库,排水系统等等……基础设备。

有了这些基础设施和设备,我们才可以在地面上盖出我们想要的大楼,并且为大楼稳定的运行提供最基础的条件。

RTE运行环境呢,就是这栋大楼主机房及主配电室,遍布大楼的网线,电线以及通风等一些基础运行通讯设备,包括电信号和网络信号等等。

Application应用层,就是我们这栋大楼用来做什么的最终的体现了。

如果是办公大楼,我们就装修成OFFICE;

如果是科研大楼,我们就装修成实验室;

如果只是个皮包公司,我们就装修成夜总会风格就好;

所以通俗的解释,应用层软件的编译,就是这个“装修”的过程,为了实现不同的功能,要开发不同的逻辑。

以上,帮助大家稍微理解一下,底层,环境,应用层,到底是怎样的一种东西。


最后,该讲讲电池管理系统的功能了。

最最重点的内容,终于粉墨登场了。

电池管理系统的功能可分为测量功能、核心算法和应用功能,如图4。

BMS功能这块,往细节了说,那篇幅就如滔滔江水延绵不绝了,既然题主是想自学,就走马观花的介绍一番,有个系统性的认知就好。

BMS中大致包含三个大的功能模块。

第一,测量功能

主要包含:

模组的电压采样和温度采样、Pack的总电压采样和总电流采样、高压互锁检测、绝缘检测。测量功能实时监控着电池的基本状态,是BMS所有功能的基础,离开了这些测量,BMS所有核心算法、应用功能都难以执行。

第二,核心算法

主要包含:

SOC(电池荷电状态)算法、SOH(寿命状态)算法、SOP(功率状态

)算法、电池均衡算法。喜欢挑战算法的朋友可以挑战。

其中,SOC算法,行业内典型的方案有安时积分、开路电压、人工神经网络、卡尔曼滤波

,单单某一种方案都会存在缺点,目前主流的方案是使用安时积分

加上卡尔曼滤波的方式。

SOH算法,目前常用的算法有库仑计算法加上开路电压,还有卡尔曼滤波等等算法。

SOP算法,目前可靠的方法还是靠试验数据,用查表法实现。

均衡功能的原理,可以联想木桶原理,有主动均衡和被动均衡两种方法。主动均衡就是长木板裁剪后来补短木板,使得所有木板平均;被动均衡就是长木板都进行裁剪,保持所有长木板与最短木板一样长。

第三,应用功能

主要包含:

高压上下电与低压上下电、交流充电与直流充电、电池系统热管理、电池系统故障诊断。

其中,高压上下电与低压上下电是需要其他控制器,比如VCU与BMS配合来实现,BMS完成高压上电后,才能给整车高压负载供电或进行充电(也有厂家做的集成度高的,BMS自己就能搞定上下电的过程)。

交流充电是通过交流充电桩、车载充电机为动力电池充电;直流充电是通过直流充电桩为动力电池充电。充电功能有相关的国标规定。

电池热管理主要是保证电池处在一个合理的温度范围,保证充放电功能处于最佳状态。

故障诊断这块,内容较多,电池的安全就全靠这块,包含过欠压保护、过流保护、继电器粘黏检测、电池压差保护等等功能。

好了,一套行云流水的表演下来,也该收工了。

全文写的有点偏抽象,但大体上能帮助题主建立一个关于BMS的框架性概念。

市面上写BMS的书有很多,学习后能帮助题主建立知识基础,但要想在这方面更深入地发展,还是需要投入到实际项目开发中来。

总之,纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。


最后,推荐几本书可以参考的书,当然也可找身边行业内的朋友来推荐:

中山大学出版社

出版的《电动汽车动力电池管理系统设计》谭晓军

著。

科学出版社出版的《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》王芳、夏军等著。

机械工业出版社

出版的《电池建模与电池管理系统设计》克里斯多夫.D.瑞恩著。

来源:小鹏汽车知乎号

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