電動汽車電池管理系統(tǒng)設計

許兵兵 寧杰

摘要：以車載電池為能源的電動汽車更符合現代人低碳、環(huán)保、節(jié)能、減排和綠色的生活觀念，但是，目前的電動汽車BMS還存在很多缺陷，安全可靠方面還需要深入探索研究，系統(tǒng)對電池的開發(fā)在續(xù)航持久、使用年限和自我維護等方面還有很大潛力。本文對電動汽車BMS系統(tǒng)軟硬件進行設計，首先對電動汽車BMS設計背景描述，然后完成BMS電源部分、均衡控制、通信功能、溫度控制以及電壓電流采集功能的軟硬件設計。

Abstract： In vehicle batteries for electric cars more accord with modern energy low carbon， environmental protection， energy saving， emission reduction and green life idea， however， the present electric cars BMS still exist many defects， safe and reliable also need to explore research， system for development in the life of the battery lasting， use fixed number of year there is a great potential and self maintenance， etc. In this paper， the software and hardware of electric vehicle BMS system are designed. Firstly， the design background of electric vehicle BMS is described， and then the hardware and software design of power supply， equalization control， communication function， temperature control and voltage and current acquisition function of BMS is completed.

關鍵詞：電動汽車;電池管理系統(tǒng);軟硬件

Key words： electric vehicles;battery management system;the hardware and software

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0214-02

0? 引言

在國內，郭偉偉[1]基于BMS電動汽車電池管理系統(tǒng)的相關控制設計內容，詳細闡述了BMS的硬件、軟件設計。劉太彪[2]應對充電機與車載信號類設備在使用過程中存在干擾現象探究，為新能源汽車的車載設備的發(fā)展提供了借鑒。吳津宇[3]等分析在無專業(yè)診斷儀情況下如何對商用電動汽車快充系統(tǒng)故障進行診斷和排除。可以看出目前的電動汽車BMS還存在很多缺陷，大量研究人員在電池續(xù)航和維護等方面做出努力，本文完成BMS電源部分、均衡控制、通信功能、溫度控制以及電壓電流采集功能的軟硬件設計，實現信息反饋的可靠準確，提高系統(tǒng)處理事件速度和安全型，滿足BMS軟硬件兼容的特點。

1? 電動汽車BMS的硬件設計

汽車BMS硬件設計的質量體現在信息反饋和主控板MUC是否可靠準確;系統(tǒng)的處理事件的速度和系統(tǒng)運行是否安全;除此之外，電池性能的發(fā)揮、軟硬件是否兼容性同樣體現BMS的優(yōu)劣。汽車BMS硬件設計從各方面綜合考慮，電源需要對電路進行開閉控制;充電放電和平衡控制會干擾電池的機能、輪回次數以及電循持久力;電壓、電流和溫度方面設計是為了準確收集BMS原始參數，使各區(qū)域協調分工合作;通信功能是為了使體系內部與外部各組件交流互通。主控板高速數據處理能力和多種通信方式的MUC更適合電動汽車使用。型號STM32F 103RCT6的單片機芯片由ST設計，具備64個引腳適用于本次設計。

1.1 電源部分的設計

汽車BMS主控板需要12V的電源電壓，主控板為單元板提供電源;收集電壓組件的參數信息，并將霍爾電壓傳感器的供電電壓提升至15V， DFA5-12D15的DC-DC電源把5V或12V的電源電壓提升到15V;3.3V或5V滿足單元板供電， WD25-12S05的DC-DC電源將12V供電電壓降低至5V電壓，再經由通過LM1117-3.3的DC-DC電源再低至3.3V。

1.2 充放電控制的設計

汽車BMS的中心控件是電池充放電管控。電池充放電進程中，易產生過飽和或過放電的情況，其會使電池結構造成嚴峻破壞，如電池容量縮減、放電倍率變低等壞處。利用光耦芯片矩陣對電池充放電進程進行維護，當體系發(fā)生事故時，開路光耦芯片矩陣能維護電路體系。電池充電進程是由主控板MCU派出信息閉合光耦阻隔芯片，充電組件Q區(qū)域閉合，電池開始接受電能。

1.3 均衡控制的設計

在DC-DC電源充電平衡的根基上設計均衡組件。電池組供給平衡體系的供電電壓，還能夠將電池充電壓降低到滿足單體電池供電的要求。均衡組件能夠處理并阻擾電磁干涉運作，通過阻擾原件光耦阻隔芯片矩陣，來操縱電能動向用來達到阻隔電磁干涉，平衡供給電能。電路中XRE10/24S05的DC-DC電源通過電池組取得電能，能夠把電壓從24V變換為5V，并把電池組接納的18-36V電壓降低至5V供給。供給單個磷酸鐵鋰電池的電壓不凌駕3.6V之上，需要通過KIS-3R33電源組件來降低每塊電池電壓，將5V的電源輸出電壓變換成3.3V供給。最后經由過程MCU管控光耦芯片矩陣為低電量的單體電池供電，以達到平衡電量的目的。

1.4 通信功能的設計

分布類型BMS的通訊功能可分為CAN總線通信功能由內、外兩模塊構成，內部模塊重點是主控制板MCU與單控制板之間的通訊，外部模塊是主控制板MCU與BMS以外的控制組件間的通訊。串行RS-232通信：MCU與顯示模塊之間的通信。

1.4.1 CAN通信電路? CAN總線是漫衍方式操控連串通訊網絡，通訊效率高。CAN總線發(fā)收模塊使用的是ISO1050芯片，可以隔離干擾，縮小PCB板面積、差分發(fā)出和接受信號。需要用拉電阻提高TXD的電流滿足ISO1050運行需要。

1.4.2 RS-232通信電路? RS-232是一種串行通信接口，數據傳輸快，常被應用到計算機與外接設備的連接。RS-232需要通過MAX232芯片邏輯轉換才能夠連接ECU。此電路由輸出線、輸入線以及接地線組成，為制止體系雜音滋擾難容，采納6N137光耦阻隔芯片。

1.5 電壓采集功能設計

1.5.1 總電壓采集模塊設計? 汽車BMS經由過程電池組總電壓監(jiān)督控制電動汽車的狀況。此電路是通過電阻來承擔多余的電壓，通過HNV-025A型的電壓傳感器衡量電壓。收集電壓信息的組件選擇相互兼容的電阻以提升電壓傳感器收集的準確度。傳感器采用U：300V，I：10mA，R：30kΩ。

1.5.2 單體電池電壓采集模塊設計? 各個單體電池機能不能夠通過電壓來判斷是否平衡。單體電池電壓的收羅是光耦開關矩陣與ADC共同完成單壓收集，全部收集工作以輪詢的體例舉行。鋰電池的電壓在極值為3.6V而且ADC吸收的電壓不高于3.3V，經由過程電阻分壓使其電壓下降。按照設定條件設計電壓采集電路，采用AQY272EH型號的光耦開關與電源電池相匹配。每當兩端電壓上升至60V時，電流上升直到2A停止。

1.6 電流采集功能設計? 電流傳感器收羅電流種類有2種：開環(huán)類型電流傳感器主要收羅邊際電流，結構比較精簡且獲取數據準確度低，經常使用于大電流的收羅;閉環(huán)類型電流傳感器反應敏捷、準確度高，經常使用于小電流收羅。CHB-200SF閉環(huán)類型各方面數據滿足本次設計的要求，所得知被測試電流大小為100A，電流參數反饋給控制板。必須變換電路中的大電流下降至0.05A的電流，接著把電流燈號輸出為電壓燈號，再由過程電阻進行變化并通過電壓跟蹤裝置反饋至控制板。同時，ADC能吸收到的電壓不能超過電壓燈號的最大電壓，所以電壓跟蹤裝置需經由加法裝置和反向放大裝置，將電壓燈號輸出為合適的燈號至MCU的ADC中。

1.7 溫度控制功能設計

1.7.1 溫度采集模塊設計? 溫度能為SOC估算帶來偏差，主控板MCU依據傳感器斷定目前溫度是否需閉合風扇，避免電池工作環(huán)境溫度太高，溫度收集工作經由過程溫感器DS18B20負責。

1.7.2 溫度控制功能設計? 溫控組件的目標是確保全部系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度是常規(guī)的，防止小塊區(qū)域或一些電子件過熱毀壞，造成嚴重事故。主控板MCU收集到高于常規(guī)工作溫度時，溫控組件立刻啟動，電路中各零部件運作對體系散熱。

2? 電動汽車BMS的軟件設計

本設計采用C語言編程，具有高效簡潔、接近底層硬件優(yōu)點，配合集成開發(fā)環(huán)境軟件Keiluvision5，反復編輯、編譯和多次調試主控板和單元板的源代碼，以不斷提高和完善系統(tǒng)功能，提升精確度和穩(wěn)定性。

2.1 電壓采集程序設計

輸入電壓信號首先要經過光耦繼電器，通過單片機測量單體電池電壓，根據電壓情況做相應處理，讀取ADC轉換值之后保存參數;然后利用輪詢的體例，經由過程調控光耦開關，對殘剩電池電壓收集，終了后整合所有收集的電壓參數，電壓采集工作竣事。

2.2 溫度采集程序設計

溫度采納裝置選用DS18B20數字傳感器，Alone接口就能夠完成所有信息的交流。先還原溫度傳感器，經由過程CAN總線將默認狀況信息傳遞到總線控制器模塊，DS18B20傳感器歸位，同時進入預備姿態(tài)，然后對電池溫度的丈量，并將其改變成現實的參數經由過程寄存器保存，即完成一次溫度采集，再以輪詢體例完成其他部件溫度收集，最后把全部收集的參數整合并上傳。

2.3 均衡控制程序設計

均衡控制程式是針對電路平衡而編譯的。電壓收集組件取得參數判斷電池電壓值，電壓值若跨越極值，進行下一進程，通過均衡控制程式把電池過剩的電量運輸給未飽和的電池完成一次電池平衡，接著采用輪詢的體例完成下一次電池平衡，直到所有電池電量保持一致均衡終了。

2.4 電池SOC估算程序設計

需要對體系的一些不定性參數識別，運用此參數來創(chuàng)建相匹配的方程式;然后把所列出的方程式進行線性化處理，對這些不定性參數的默認值進行肯定，用來求解參數矩陣;再對偏差協方差及電池SOC的猜測數據進行盤算，求出其系數并對猜測數據進行批改;末了電池SOC的猜測數據加上猜測數據的批改數據就能夠得出其最佳的估計數據，即完成一次電池SOC估算。

2.5 充放電控制程序設計

充電機向MCU發(fā)送充電要求，MCU接受到充電要求后對電池狀況進行檢查，按照檢查成果決意是否要給電池充電。若通過充電要求，BNS不會立刻充電，而是按照當前電池的狀況判定是否需要充電。倘若需要進行充電，經線路閉合方可充電。然后實時反饋電池電壓，當電壓值接近3.5V而且維持1秒左右時，充電終了后開路MOSFET管。

2.6 CAN通信功能程序設計

CAN通信功能包括數據收發(fā)組件和總線最初化組件。通過對總線等標記部位進行初始化調整，接著對CAN總線的運作形式進行匹配，再對波特率初始化調整。為了調度收發(fā)組件，還要對CAN總線的通信功能同步，同步終了初始化完工。

3? 結論

隨著科技的進步和科研人員的不斷研發(fā)，汽車BMS功能得到不斷被優(yōu)化完善，電動汽車的發(fā)展變得突飛猛進，安全性、可靠性和續(xù)航能力都得到極大的提高和改善。本次設計方法與分布式結構法相比，雖沒分布式體系那么平穩(wěn)，但電池組充電均衡策略方面，輪詢方式抗干擾能力強，并設計了系統(tǒng)過熱保護，可提高MCU安全性能。之后需在電動部件中增強抗磁場干擾能力設計，優(yōu)化單元控制板可控制的電池數量和良好的自檢體系。

參考文獻：

[1]郭偉偉.基于BMS電動汽車電池管理系統(tǒng)控制的研究[J].內燃機與配件，2017（17）：112-113.

[2]劉太彪.車載充電機等電源類設備對信號類設備的干擾探究[J].內燃機與配件，2019（11）：206-207.

[3]吳津宇，閆云敬.商用電動汽車快充系統(tǒng)故障診斷和排除[J].內燃機與配件，2020（04）：115-117.