动力电池管理系统(BMS)的拓扑结构

相信大家对BMS也有了一定的了解。今天草堂君继续为大家分享BMS的拓扑结构,希望对大家进一步的了解BMS有一定的帮助。

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     与小型电子设备(如手机、 便携式电脑等) 不同, 我们知道电动汽车所需要用到的电池数量通常较多。 例如, 一台设计时速为120km/h的五座纯电动乘用车可能搭载一台工作电压为300V以上的电动机, 相应地需要配置一个由100块左右的磷酸铁锂电池所组成的电池组(这里仅考虑电池串联的情况, 如果再考虑并联, 则电池数量还应该更多) , 此时就有必要对电池管理系统的拓扑结构进行研究。 在电池管理系统中, 硬件电路通常可被分为两个功能模块, 即电池监测回路(Battery Monitoring Circuit, 简称BMC) 和电池组控制单元(Battery Control Unit,简称BCU)。 研究电池管理系统的拓扑结构, 需要分两个层面来送行:其一, BMC与各个单元电池之间的拓扑关系; 其二, BCU与BMC之间的拓扑关系。

一、 BMC与单元电池的关系

BMC与各个单元电池之间的拓扑关系可分为以下两种。

1.一个BMC对应一个单元电池(见下图)

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     由上图我们知道,在实际工作中,我们可以为每一个单元电池配置一块独立的监控电路板(BMC电路板),对电池的电压、电流、温度等物理量进行监测。根据需要,还可以在BMC中加入通信和均衡功能,以便向BCU报告相关信息,并通过旁路电阻的方式对管辖的单体电池实施有效的均衡管理。

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有时候, 可以把这样的BMC电路板封装到动力电池单元内部构成“智能电池” , 即单元电池本身具备一定的自治功能。 这种“一对一” 的拓扑结构的好处在于: BMC与单元电池的距离较短, 在一定程度上能减少采集线路的长度及复杂度, 采集精度高, 抗干扰性好。然而, 其缺点为电路板的相对成本较高; 同时, 由于电池管理系统的工作电源往往由被监控的动力电池所提供, 因此, 可能使得整个电动汽车电池管理系统的能耗相对更大。

2.一个BMC对应多个单元电池(见下图)

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与“一对一”方式相比,上图中一块BMC电路板负责多个单体电池的信息监控。由于BMC电路板被多个单体电池所共用,所以该拓扑结构成本较低。但是由图可见,该拓扑方式会导致采集线路较长,导致连线的复杂程度较高,抗干扰能量较差。同时,较长的采集线也可能会降低电压的采集精度,并且由于采集线增加也会导致成本的增加。

二、BCU与BMC的关系

BCU与BMC的拓扑结构关系有以下三种。

1.BCU与BMC共板

在某些A0级电动汽车中,由于动力电池系统中单体的数量较少,BCU与BMC可以设计在同一块电路板上对所有的电池进行统一的管理。在某种特殊的情况下,BCU和BMC的功能甚至可以集成到一块电路芯片中。

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2、星型拓扑结构

      星型拓扑结构(见下图)与BCU/BMC共板结构不同,BMC与BCU之间通过特定的通信协议连接在一起。

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由上图我们可以看到,BCU位于中央位置且每个BMC模块通过线束连接,通常BCU中还带有一个总线集成模块,可以让多个BMC实现通信共享。

      星型拓扑结构的优点是便于进行介质访问控制; 同时, 某个BMC的退出或者故障不会对其他BMC的通信造成影响。 这种连接方式的缺点在于两个方面:其一, 通信线路的长度较长, 难维护; 其二, 可扩展性差, 受总线集中模块端口的限制, 不能够随意地增加多个BMC单元。

3.总线拓扑结构

BCU与BMC之间以总线的方式进行连接,见下图。

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由上图可见,BCU与BMC、BMC与BMC之间用通信总线连接,与星型拓扑结构相比,总线拓扑结构可以减少采样线束,连接更为灵活,可扩展性更强。若电动汽车后续需要增加电池及相应的BMC数量,只需要增加一小段通信线即可。但是总线拓扑结构也有一个突出的缺点,就是通讯线路是相互依赖的,即第N块电路板要与BCU通信,就需要利用前面N-1块BMC板,若某一块BMC板出现故障,则后续的BMC与BCU之间的通信则会立即受到影响。

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