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新能源汽车电池管理系统(BMS)中传感器技术应用

发布人:ofweekmall时间:2021-11-03来源:工程师
车载蓄电池作为新能源电动汽车的核心,直接关系到车辆寿命、行驶里程、车辆经济性、安全性,这一切又取决于电池管理系统的性能。而电池管理系统监控的准确性、执行动作可靠性则依赖各类传感器,故对于传感器技术的研究与分析尤为必要。

一、新能源电动汽车电池管理系统电池管理系统(Battery Management System,简称BMS)是监控车用蓄电池的电压、电流、负载、温度等状态,并能为其提供安全、通信、电芯均衡和管理控制,提供同应用设备通信接口的系统,如图1所示。BMS具备监控蓄电池系统总电压、电流数据,获取单体电池、电芯组、电池模块电压,掌握电池包内温及其形态等数据。它主要由3个部分构成,包括硬件架构、底层软件以及应用软件。QQ图片202111020940401.1硬件架构BMS硬件包含CPU、电源和采样IC、隔离变压器、CAN模块、EEPROM和RCT等,其核心是CPU。BMS硬件结构如图2所示,集中式、分布式是BMS硬件的拓扑结构。集中式把电子部件归纳在板块内,采样芯片由菊花链接主芯片通信,链路简单,成本低廉,缺点是稳定性不足。分布式由主板、从板组成,系统配置灵活,通道利用率高,适用于各类电池组,缺点是电池模组数量不足时造成通道浪费。BMS的主控制器具备处理上报来的信息、综合判断电池运行情况、实现控制策略并处理故障信息功能。高压控制器具备收集上报总电压、电流,并为主板提供载荷情况(SOC)、健康状况(SOH)所需数据,实现预充电、绝缘两项检测功能。从控制器具备单体电池信息采集上报,拥有动平衡功能,可以保持电芯的动力输出一致性。采样控制线束具备同时在每一根电压采样线上添加冗余保险功能,可避免电池外部短路故障(图2)。QQ图片202111020944431.2底层软件根据汽车开放系统结构(AUTO motive Open System Ar-chitecture,简称AUTOSAR),架构为了减少对硬件设备的依赖性,将BMS划分为诸多通用功能区块。能够对不同的硬件实现配置,并对应用层软件影响较小。其需要通过RET接口与应用层软件链接,介于故障诊断事件管理(DEM)、故障诊断通信管理(DCM)、功能信息管理(FIM)以及CAN通信预留接口等灵活性要求,应当从应用层进行配置。1.3应用层软件应用层涵盖了高低压管理、充电管理、状态估算、均衡控制以及故障管理等,如图3所示。QQ图片202111020947101)高低压管理主要是需要上电时,VCU通过硬线(CAN信号)的12V激发BMS,待后者完成自检后闭合继电器上高压;需要下电时,VCU下达指令断开12V信号,或者在充电时由CP(A+)信号激发。2)充电管理中慢充流程较为简单,而快充需要在45min内完成冲入电量80%,要通过充电辅助电源A+信号激发,目前国标中对快充尚未完成统一,即存在2011和2015两个快充版本。3)SOC是状态估算功能的核心控制算法,表示电池剩余容量,通过特定的安时积分法计算得出;SOH是判别电池的寿命状态及电池充满状态下的容量,一般低于80%的电池不得继续使用;SOP需要根据温度及SOC换算得出,能够在电池临界之前及时发出信号让电力系统限定部分功能;SOE算法是用来估算剩余续航里程的,当前开发得较为简单,因此新能源电动车续航里程常常不准确,俗称“空电”现象。4)均衡控制的作用是均衡单体电池放电不一致,由于电路当中必将由于性能最差的单体电池的截止而截止,造成其余性能完备电池蓄存量的浪费。均衡控制分为主动和被动,其中主动控制将单体间能量进行转移,其结构复杂且成本较高,而被动控制除会浪费部分能量外,优势更为明显,目前备受厂家青睐。5)故障诊断主要是根据数据采集、一般性故障、电气设备故障、通信故障和电池故障等情况,划分不同故障等级,并采取对应措施。二、电池管理系统中传感器应用BMS中主要应用的传感器有电流传感器、温湿度传感器、电压传感器、位置传感器和气体传感器。2.1电流传感器2.1.1霍尔电流传感器霍尔效应(HallEffect)传感器变化的磁场转为变化的电压,其属于间接测量。可分为开环式、闭环式两类,后者精度较高。霍尔电流传感器简化了电路,仅要连通直流电源正负极,将被测电流母线穿过传感器便完成主电路和控制电路的隔离检测,如图4所示。传感器输出信号为副边电流,和原边电流(输入信号)成正比,数值较小,需进行A/D转换。霍尔电流传感器集互感器、分流器优点于一身且结构更为简单,但易受干扰,已不适用于越来越精密复杂的新能源电动车电源环境。QQ图片202111020953162.1.2磁通门电流传感器磁通门原理(FluxGate)即为易饱和磁芯在激励电流影响下,激励电流大小改变电感强度,进而改变磁通量大小,磁通量则如同门那样打开或者闭合。普通霍尔电流传感器精度在0.5%~2%之间,而磁通门电流传感器利用磁通门原理制作而成,精度能够达到0.1%甚至更高,因此也称之为高精度电流传感器。结构上有也有开口型和不开口型两类,即有开环和闭环两类。此处着重介绍闭环磁通门电流传感器,即放大磁通门激励电流二次谐波信号,驱动补偿线圈,使聚磁磁芯的磁通和原边电流的磁通相抵消,保持“零磁通”状态;对于HPIT系列磁通并不为零,是一种无二次谐波的对称形状,如图5所示。QQ图片20211102095441磁通门电流传感器从结构上分为4类,见表1,分别是单磁环、双磁环、双磁环(屏蔽)、多磁环(嵌套)。由于集具磁通门原理高灵敏性、闭环磁平衡与匝比输出严格对应性、整体磁芯封闭性、探头补偿消除振荡谐波影响输出干净性等优点,因此闭环磁通门电流传感器被广泛应用于各型新能源电动车产品当中,如特斯拉Model3、比亚迪汉、理想ONE、小鹏P7等畅销车型。QQ图片202111020956232.1.3穿隧磁阻效应电流传感器穿隧磁阻效应(TMR)电流传感器是全新一代磁敏元件,较霍尔器件、各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)相比(图6),其拥有能耗低、温漂低、灵敏度高等优点,能够明显改善电流检测的灵敏度与温度特性,故而在新一代新能源电动汽车电池管理系统中,被用于全面取代霍尔传感器。TMR电流传感器在检测电流时不再需要进行温度补偿,将-40℃~85℃环境下的温度漂移总量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。例如对于车载充电器的电流检测与控制上,其能够对铜排或导线电流的精准检测而使用芯片体积更小,精度、线性度、响应速度和温漂特性则更为优化,为新能源电动车带来极佳的安全性与经济性。2.2温湿度传感器2.2.1NTC温度传感器温度对于BMS性能发挥意义重大,为了进一步提升电池利用率,防止电池过度放(充)电,掌控电池工况,增加电池使用寿命,内置NTC温度传感器来监测温度。NTC温度传感器主要由Mn等高纯度金属元素的氧化化合物经过陶瓷技术和半导体技术结合制成,工作原理为这些材料载流子数目少,电阻较高,当温度升高时,载流子数目相应增加,电阻对应降低(图7)。其拥有电阻率高、热容小、响应快,阻值与温度线性关系优良,能弯曲、价格低、寿命长等优点。常用的有3类:地环外壳NTC温度传感器,俗称“地环型”;环氧树脂封装NTC温度传感器,俗称“水滴头”、“小黑头”;薄膜NTC温度传感器。QQ图片202111020958032.2.2HTW湿度传感器湿度传感器就是一种把环境湿度量转变成能够被电信号标记的设备或者装置,常见的湿度传感器测量的量为相对湿度。现在新能源电动汽车BMS常用的湿度传感器有电阻式湿敏元件和电容式湿敏元件。其原理是在基片上涂敷一层用感湿材料膜,环境中水蒸气吸附在膜上时,元件电阻率、电阻值会变化,就能测出湿度。HTW-211是引进国外的高精度湿度测量传感器模块,是基于HumiChip的精确且可靠的湿度测量传感器。湿度因素在新能源电动车电池管理系统中尤为难以捕捉,但对于电池的性能、寿命影响巨大。对传感器的湿度输出予以温度补偿,得到线性电压,输入到带有ADC的新能源电动汽车的BMS当中。2.3电压传感器电动汽车供电系统的电池组由几百个串联电芯联通,故而测量电压的通道需求较大。串联电池组为累计电压,但单个电池电动势并不相同,不能简单采用单向补偿法消去误差。电池电压采集需要高精度,达到1mV,而目前采集精度仅有5mV。电压传感器能够让被测电池电压转换成可输出信号的传感器,新能源电动汽车用的电致发光效应电压传感器是测量发光材料在被测电压发光强度情况来获得被测电压有效数值。同传统的光学电压传感器相比,基于电致发光效应的电压传感器将不再用载波光源,一方面消除载波光源测量的不稳定性,另一方面也对传感器结构进行简化、降低生产成本。2.4位置传感器BMS中的位置传感器是一项《电池温控管理系统及电动汽车》实用新型专利当中提到的,目前在新能源电动汽车中尚未广泛应用。位置传感器主要是用于检测BMS系统中水冷装置中冷却液面的位置情况。位置传感器被安装在冷却水浮漂上,用于对冷却液相对于膨胀水壶液面位置进行检测,得到膨胀水壶的出液口同所述液体的接触情况。通常至少需要3个浮漂,并在每个浮漂上安装位置传感器,以便于车辆在经过陡坡等路段或冷却系统中存有大量气泡时,BMS及时调节控制主水泵与副水泵进行切换运行。2.5气体传感器新能源汽车动力电池热失控,电池起火前通常会产生大量异常气体(一氧化碳/氢气/氟化氢/TVOC)等,通过CO传感器、氢气传感器诊断到故障后,发出预警,并要求整车控制器进行有效处理。电池管理系统 (BMS)全面监测电池的健康状况。不同的传感器各有优劣势,一般会通过多个不同的传感器检测动力电池热失控情况。2.5.1一氧化碳传感器为了尽可能减少人员伤亡及损失,及时发现火情,提前预警,显得非常重要。 动力电池热失控,电池起火前通常会产生大量CO,因此监控CO的浓度无疑是一种有效的解决方案。一旦超过报警阈值,启动报警启,疏散人员及启动灭火,从而争取到更多宝贵的时间。CO传感器TGS5141,该传感器具有灵敏度高、可靠性好、寿命长等优点,非常适用于电池起火检测。一氧化碳传感器TGS5141是可电池驱动的电化学式传感器,使用一个特殊的电极取代了储水器,由于去除了TGS5042中使用的储水器,TGS5141与TGS5042相比,其外形尺寸缩减到只有后者的10%大小。OEM客户会发现,通过每个传感器的条形码,可以单独打印每个传感器的数据,使用户可以避免昂贵的气体校准程序,还允许对个别传感器进行追踪。2.5.2氢气传感器对于新能源汽车而言,氢气传感器不仅能用于监测储氢瓶和燃料电池系统中氢气的泄露,还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。新能源汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度,从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。催化燃烧可燃气体传感器TGS6812。这种可燃气体传感器可以检测100%LEL水平的氢气。该可燃气体传感器具有高精度,良好的耐用性和稳定性,并且对、线性输出具有快速响应。它不仅可以监测氢气,还可以检测甲烷和液化石油气。这对于固定式燃料电池将氢气作为可燃气体时的泄漏检测是个非常优秀的方案。同时,氢气传感器 TGS2615,该传感器性可靠性好、性价比高,也是氢燃料电池H2泄漏检测的好帮手。TGS2615-E00 为了消除酒精等干扰气体的影响而设置了过滤层,显示出对氢气很高选择性的灵敏度特性。3电池管理系统传感器技术发展趋势3.1功能集成化趋势新能源电动汽车一直在朝向轻量化方向发展,与此同时对于部件的集成化要求更加严苛。BMS是一个结构复杂、功能集成的管理系统,其体积较小,因此要求传感器具备多功能一体性,进而能够用最少数量传感器就能够全面监控电池系统。在发生异常时,也能够更快更准的找到故障点。3.2监测精准化趋势未来产品对传感器技术的监测数据精度将越来越精细,对于电流电压、温湿度等数据的采集需要更精准的数据,从而提升用户对电池系统工况的准确掌握。下一步需要从理论仿真、实验研究两个方面同时入手,研究探索出新一代监测高效高精度的BMS传感器。3.3产品安全化趋势功能安全是新能源电动汽车的基本要求,也是传感器技术发展的必然趋势。一方面是需要确保传感器产品自身使用安全性,另一方面则是传感器支撑起来的整个BMS的安全性,这都将直接或间接影响行车安全性,影响用户的驾驶体验与人身安全。4总结随着国内外新能源电动车产业的不断升级,越来越多的传感器技术将会应用到新能源电动汽车、BMS当中,企业应当把握良机为市场生产出更优质、更廉价的电动汽车产品和BMS。当然在新的传感器技术支持下,BMS也会由现在的“硬件+算法”体系升级到“数据+主动式管理”体系。文章来源:中国人民解放军31620部队

    

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关键词: 新能源汽车

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