一種新型BMS設(shè)計(jì)

楊德申

摘 要：BMS是連接動(dòng)力電池組和電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等工具或設(shè)備的重要紐帶，功能要求BMS應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、電芯均衡、保護(hù)與告警、通信、充放電控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。為一套保護(hù)動(dòng)力電池使用安全的控制系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過(guò)必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車輛、儲(chǔ)能等工具或設(shè)備使用安全提供保障。

關(guān)鍵詞：BMS;智能電網(wǎng);鋰電池;低功耗;新能源

術(shù)語(yǔ)：

1）PCS（Power Covert System）：能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即換流器，是進(jìn)行逆變和整流的雙向換流系統(tǒng)。

2）SOC（State Of Capacity）：電池剩余容量狀態(tài)，用百分率表示。

3）SOH（State Of Health）：電池組健康度狀態(tài)，用百分率表示。

4）BMS（Battery Management System）：電池管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)儲(chǔ)能。

一、緒論

能源危機(jī)和環(huán)境污染已然成為影響社會(huì)發(fā)展的兩大難題.在世界各國(guó)人民不斷呼吁“低碳生活”的背景下，新能源開(kāi)始占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，鋰電池作為可替代載體，得到了空前的發(fā)展。BMS是連接動(dòng)力電池組和電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等工具或設(shè)備的重要紐帶。當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境要求BMS傳輸速度要求越來(lái)越快，輸入輸出口增多，傳統(tǒng)的BMS冗余架構(gòu)，使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)增多，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性降低?；诋?dāng)前的現(xiàn)狀，作者提出了新的BMS架構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。提高BMS系統(tǒng)在現(xiàn)代儲(chǔ)能系統(tǒng)的適應(yīng)性。

二、硬件設(shè)計(jì)

新型的BMS要具有以下特點(diǎn)：

（1）大量的輸入輸出IO。

（2）支持多樣的通訊接口，485、CAN和TCP等。

（3）大容量的存儲(chǔ)空間，方便歷史數(shù)據(jù)和參數(shù)的存儲(chǔ)。

（4）處理速度快。

（5）要有大的顯示屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

（6）多重硬件的保護(hù)機(jī)制。

基于以上要求，BMS主控選擇STM32F407，從控選擇STM32F107。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）BMS工作原理

系統(tǒng)上電后，BMS先初始化，然后給PACK上電，BMS主控開(kāi)始輪詢PACK板數(shù)據(jù)，PACK將電池包的電芯電壓、溫度、均衡和狀態(tài)信息上傳給主控。主控采集霍爾傳感器的電流數(shù)據(jù)和絕緣模塊的絕緣阻值，然后主控根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，分析電池的狀態(tài)，計(jì)算SOC和SOH，根據(jù)數(shù)據(jù)采集值和告警閾值比較，更新系統(tǒng)告警狀態(tài)，根據(jù)告警的狀態(tài)，控制系統(tǒng)的充電、放電和均衡，同時(shí)周期性或者事件觸發(fā)歷史記錄，實(shí)時(shí)更新顯示屏數(shù)據(jù)，響應(yīng)來(lái)自并機(jī)和上位機(jī)的查詢和控制命令。

（二）BMS主控功能框圖

BMS軟件設(shè)計(jì)包括狀態(tài)檢測(cè)、狀態(tài)分析、安全保護(hù)、能量控制管理和信息管理五大模塊。

狀態(tài)檢測(cè)模塊分為電芯電壓、電流、絕緣阻值和溫度檢測(cè)。

狀態(tài)分析模塊分為SOC和SOH計(jì)算。

安全保護(hù)模塊分為電壓、電流、溫度和絕緣檢測(cè)保護(hù)功能。

能量控制分為充電、放電和均衡控制。

信息管理模塊分為電池信息的顯示、系統(tǒng)信息交互、歷史記錄和并機(jī)數(shù)據(jù)管理。

1.軟件功能說(shuō)明

BMS最基本功能就是測(cè)量電池單體的電壓，溫度和充放電電流，這是BMS頂層計(jì)算、控制邏輯的基礎(chǔ)。

（1）單體電壓測(cè)量和電壓監(jiān)控。單體電芯電壓，對(duì)于BMS有幾種作用，首先，是可以用來(lái)計(jì)算整個(gè)電池組電壓，二是可以根據(jù)單體電壓壓差來(lái)判斷單體差異性，三是可以用來(lái)檢測(cè)單體的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）電芯溫度。溫度對(duì)電池的參數(shù)有著很重要的作用，BMS在設(shè)計(jì)溫度傳感器的放置點(diǎn)，以及放置多少溫度點(diǎn)和最后采集得到的溫度點(diǎn)體現(xiàn)了電池包的運(yùn)行情況。也是電池組加熱和散熱控制的重要依據(jù)。

（3）電流測(cè)量。電流測(cè)量手段主要是霍爾電流傳感器。由于電池系統(tǒng)需要處理的電流數(shù)值往往瞬時(shí)很大，因此評(píng)估測(cè)量電池包的輸出電流（放電）和輸入電流（充電）的量程及精度也很重要。電流是引起單體溫度變化的主要原因;電流變化的時(shí)候也會(huì)引起電壓的變化，與時(shí)間一起，這三項(xiàng)是核算電池狀態(tài)的必備元素。

（4）絕緣電阻檢測(cè)。BMS內(nèi)，一般需要對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，比較簡(jiǎn)單的是依靠電橋來(lái)測(cè)量總線正極和負(fù)極對(duì)地線的絕緣電阻?，F(xiàn)在用的較多的是主動(dòng)信號(hào)注入，主要是可以檢測(cè)電池單體對(duì)系統(tǒng)的絕緣電阻。

（5）SOC的算法。電池系統(tǒng)中最核心也是最難的一部分就是SOC的估算。SOC估算常見(jiàn)的有安時(shí)積分法（SOCI），和開(kāi)路電壓標(biāo)定法（SOCV）。安時(shí)積分最大的問(wèn)題是隨著時(shí)間的推移誤差會(huì)越來(lái)越大;開(kāi)路電壓標(biāo)定法的問(wèn)題是電池需要在靜置很長(zhǎng)時(shí)間后的開(kāi)路電壓對(duì)應(yīng)的SOC才是準(zhǔn)確的，電池組在充放電過(guò)程中采集的電壓用來(lái)標(biāo)定SOC是不準(zhǔn)確的。

2.軟件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）抗干擾性。①對(duì)冗余信號(hào)的過(guò)濾。事件的觸發(fā)條件必須連續(xù)的、真實(shí)的，這樣就要求在做軟件時(shí)，數(shù)據(jù)采集要加濾波;告警狀態(tài)更新要有延時(shí)確認(rèn)，但也不能失去實(shí)時(shí)性，例如絕緣故障，響應(yīng)要求準(zhǔn)確和快速。所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要掌握這個(gè)度。

②強(qiáng)大的容錯(cuò)機(jī)制。系統(tǒng)不能因?yàn)槟炒纬鲥e(cuò)或者故障而停止工作，軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要建立強(qiáng)大的錯(cuò)誤處理機(jī)制，應(yīng)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，嘗試恢復(fù)。

（2）靈活性。由于BMS系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，所以在軟件設(shè)計(jì)上，要足夠靈活，增加大量的配置項(xiàng)。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）BMS系統(tǒng)最主要作用就是保護(hù)鋰電池組的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要有多重的保護(hù)的機(jī)制，現(xiàn)在最流行的策略是三重保護(hù)機(jī)制。一級(jí)保護(hù)由EMS控制降功率，延長(zhǎng)電池組的充放電時(shí)間;二級(jí)保護(hù)由PCS停止充放電;三級(jí)保護(hù)BMS斷開(kāi)動(dòng)力回路。

（2）而為了安全起見(jiàn)，應(yīng)該考慮到在BMS軟件失效的情況下，其他措施保障系統(tǒng)安全。首先，增加硬件保護(hù)，軟件失效時(shí)，硬件保護(hù)也能保障系統(tǒng)安全。

五、結(jié)語(yǔ)

目前，能源消耗備受國(guó)家關(guān)注，人們?cè)诓粩鄬で罂稍偕木G色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性能源。鋰電池在充電和使用過(guò)程中無(wú)污染，必將成為能源發(fā)展的首要趨勢(shì)。BMS是新能源汽車和儲(chǔ)能方面必備的重要零部件！可以說(shuō)，電池管系統(tǒng)的發(fā)展必將帶來(lái)新能源產(chǎn)業(yè)的巨大改變。

參考文獻(xiàn)：

[1]任哲，等.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-II原理及應(yīng)用.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2009.

[2]宮學(xué)庚，齊鉑金，劉有兵，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模型和342估算策略[J].電源技術(shù)，2004，28（10）：633.