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聊聊电池管理系统的架构和通信

 yeshuheng 2017-10-27 发布于北京

    本文主要谈谈主从式BMS中的菊花链和CAN通讯方式,在选择BMS内部通讯方式时,我们需要考虑到功率消耗,通信安全,还有成本等因素。BMU在采样时要么由模组供电要么由12v铅酸电池供电,如果由模组供电,各个模组功率消耗不一致,进一步会引起模组间cell电压差,SOC差等,在菊花链和CAN总线系统中,由一个BMU失效引起通讯中断的严重程度也是不一样的,CAN总线鲁棒性更好,但是成本也更高。菊花链不适合长距离通讯,在HEV车型中应用更多,大巴车上更多的是CAN总线。

最常见的BMS拓扑结构有集中式和主从式,如下表所示

表1 系统结构

       目前电池模组倾向于标准化,一个标准化模组,十几二十几个电芯不等,一个BMU(Battery Monitor Unit电池监测模块,各个厂家叫法不一)包含一个或者两个采样芯片。主从式BMS可扩展性更强,在标准化模组的电池包中的优势也更加明显,不过BOM成本也更高。

表2 主从式和集中式

 


1)CAN总线

下图中主控制器与BMU之间通过CAN总线通讯,在内部为CAN总线的BMS系统中,每个BMU都独立的处理自己的数据,因此所有的BMU功率消耗基本没有任何差别,对模组间的电压差基本没有

图1 BMS内部CAN通讯

2)菊花链通讯

      在内部通讯方式菊花链通讯的BMS系统中,每个BMU都有一个“输入”和“输出”接口,每一个BMU的输入与下一个的BMU的输出接口连接,BMU #N-1会将数据发送给BMU #N,BMU #N会将自身的数据和#N-1的数据发送给BMU #N+1。因此相对于CAN总线,菊花链的一个优点是如果菊花链中间断开,后面的BMU照样可以继续通讯,传递数据,同时缺点也很明显,跟BMS主控制器的那个BMU任务是最繁重的,功耗也最大。

图2 菊花链通讯架构

    在菊花链架构中,最上或者最下的BMU任务最繁重,功耗最大,见下图。如果BMU由模组供电,那么最上面的模组或者最下面的模组消耗的能量也是最多的,会导致模组间cell电压差增大,pack需要维护的时间就更多。

 

图3 菊花链功耗

针对菊花链各个模组功率消耗的不平衡,英飞凌给出了下图的解决方案,将菊花链组成一个loop,两个方向都能通讯

3)菊花链环形架构

在这个菊花链环形架构中,主控制器能够周期形的改变通讯方向,因此BMUs平均功耗差不太多,功耗差异会得到极大的改善,而且该环形回路的另外一个好处是,在回路中,不管哪个位置通讯线路断开,都不影响数据传输。

 

图4 环形架构

图5 唤醒架构

在菊花链架构中,解决BMU功率消耗不一致,另个一个解决方案是对每一个BMU增加隔离电源,由12v铅酸电池供电,减少模组间cell电压差,降低对系统的总能耗,不过缺点也很明显,增加了隔离电源,增加了成本

参考文献:

  1. 2017-01-1212-Alternatives in Battery Communication Protocols

  2. 2017-01-1203-Development of New Generation Battery Management ECU

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