具有藍牙通信功能的可視化BMS的研究與應用

王 鵬 ，劉宇建 ，，黃日帆 ，，王 帥 ，范麗波 ，陳建明

（1.許昌學院 電氣工程學院，河南 許昌461000；2.華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045；3.許繼集團有限公司，河南 許昌461000）

2014年以來，我國純電動汽車市場發展迅速，按照動力電池平均4-6年的使用壽命來算，2018年將面臨首批動力電池的集中大量退役[1]，根據研究機構EVTank聯合伊維經濟研究院，發布的回收拆解及梯次利用行業白皮書的數據，預計到2020年國內汽車動力電池回收量將達到25.7萬噸，總體市場規模將達到66.8億元，且梯次利用的市場規模遠大于拆解利用。

純電動汽車的發展，推動著鋰離子電池的推廣與應用，鋰離子電池作為其動力源，循環使用達到一定次數，由于自身性能的衰減，將達不到動力電池的要求，無法繼續作為電動汽車動力源使用。如果將其廢棄將對環境造成極大污染。因此，對其殘值進行最大化利用，仍具有很大的經濟價值。其中，將退役的動力鋰離子電池進行回收、篩選并作為其他動力源使用是目前備受關注的研究熱點[2]。就退役動力電池的梯次利用來說，它一方面可以作為儲能電池使用。例如，中國鐵塔公司早在2015年就在部分省市建立了電池回收試驗點，并長期采購退役動力電池。此外，深圳市已經出臺了動力電池監管和回收利用試點工作方案。另一方面，它可以作為其他動力源，如，作為低速低電類小型乘用車或自行車等的動力源。那么，針對上述新的應用領域，退役動力鋰離子電池原有的BMS[3]將失效，需重新匹配BMS.但常規BMS不具備PDA顯示。然而，退役鋰離子動力電池的梯次利用后的安全又需要得到保障及監控。因此，設計出一個直觀的、實用的，適用于不同電池材料的可視化BMS顯然具有重要研究意義及應用價值。

1 BMS結構設計

根據《電動汽車用電池管理系統技術條件》規定，BMS的主要功能包括：采集單體電池電壓、多點采樣電池組工作溫度、采集電池組電壓、電流、估算電池組剩余電量（SOC[4]），與其他控制器進行總線通信。除了上述主要功能外，為了更好地實時監測鋰離子電池狀態，對其充放電以及不同電芯電壓的均衡管理而實現延長電池循環壽命的目的，設計的可視化BMS，配有PDA終端，增加了數據傳輸及電池均衡的管理功能。

BMS系統框圖、未封裝地實物圖及PDA顯示界面分別如圖1、圖2及圖3所示。BMS系統主要包括三個主體模塊：（1）數據采集模塊包括：充放電電流檢測、單體電壓及總壓檢測、剩余電量（SOC）計算、多點區域溫度采集等。屬于BMS的基礎應用模塊。（2）保護模塊包括：過充、過放保護、短路保護、欠壓保護、高溫保護等。其職能是為了確保鋰離子電池正常工作而采取的安全措施。此外，還采用了通過電阻放電的被動均衡方式來減少電池壓差，實現鋰離子電池的電壓均衡。（3）通信控制模塊包括：通過藍牙，實時傳輸電池組電壓、電流等狀態信息到PDA上。通過觀察判斷或預警信號，操作員可以直接在PDA輸入控制信號，實現MOS管開閉，繼而控制電池充放電。與汽車通信中常用的CAN[5]通信相比更加便捷、直觀及可控。

圖1 BMS系統框圖

圖2 未封裝的BMS實物圖

圖3 PDA顯示界面

2 BMS硬件設計

BMS硬件結構框圖如圖4所示，對于整個管理系統的設計而言，硬件電路設計是其核心部分。設計的主要任務是通過硬件電路實現對整個電池系統的管理控制。本設計采用STM32單片機作為系統的核心硬件，主要任務是接收從STM8單片機采集的電壓電流數據、區域溫度、SOC計算、充放電控制以及和PDA數據的交互。

圖4 BMS硬件結構框圖

2.1 電壓信息采集

BMS功能中很重要的一環就是電壓信息采集，由于鋰離子電池組數量多，單片機引腳有限，因此單片機的輸入需要串行輸入并行輸出轉換芯片。BMS電壓采集電路如圖5所示。本設計中采用多個74HC595D擴展芯片，把24路電壓信息連接到單片機的ADC轉換通道，計算得到每組電壓值。

圖5 BMS電壓采集電路

2.2 藍牙傳輸與控制

如圖6所示，無線藍牙控制芯片采用QN9021，功耗低，適用于短距離無線通信組網領域。在BMS中增加QN9021藍牙模塊，將主控芯片的串口信息轉換為藍牙信息傳輸，BMS對鋰電池的檢測信息可以通過藍牙傳輸至PDA界面顯示電池的狀態，豐富了顯示的內容和外觀效果，電池狀態更加直觀地展示出來。

3 BMS軟件設計

圖6 BMS藍牙傳輸電路

BMS的軟件設計是在硬件電路基礎上進行的，通過對需求的分析，首先確定軟件設計要實現的功能和目的，包括系統各軟件模塊的劃分和程序整體結構的設計。主控芯片采用STM32單片機，C語言編寫，軟件采用模塊化程序設計，根據系統具有的功能分為若干子程序，其中包括：ADC數據采集子程序、SOC估算子程序、充放電MOS管控制子程序、藍牙傳輸子程序、溫度采集子程序等，其程序流程如圖7所示。

圖7 BMS主程序流程圖

上電之后，BMS進入自檢來檢測硬件是否正常，包括檢測MOS管通斷狀態、藍牙連接狀態、主控及從控芯片工作狀態。如果有任何不正常情況，都會關斷總正MOS管開關。自檢完成之后，每隔500 ms循環檢測一次電池組電壓、溫度、電流等信息，并通過藍牙與PDA通信。檢測過程中，如果電壓、電流、溫度值超過過流保護或者過壓保護的預設值，則采用中斷的方式對電池組軟硬件進行保護，伴隨有蜂鳴器報警。充放電MOS管開關的信息及時反饋到PDA.藍牙模塊采用單獨的IO口傳輸數據，光耦隔離的方式避免了信息傳輸過程中的干擾。

4 BMS性能實測

為了檢驗設計的BMS的功能與穩定性，以電池電壓監測為例，對靜置及運動狀態下梯次利用的退役鋰離子電池進行了一系列關于電池電壓管理的數據檢測。

首先，在不同時間監測了靜置狀態下單節電池的電壓，如圖8所示。實際測試采用10串5并18650，標稱電壓36 V圓柱形鋰電池，額定容量11AH，在靜置狀態和騎行過程中獲取數據，隨機挑選5組單節電池數據。S代表實測值，X代表PDA顯示值。同時，又對該電池包在不同時間節點處的總電壓進行監測，如圖9所示。從該圖中可以看出，電池靜置，實測總壓值比顯示值略高；各個單節電池電壓，顯示值比實際測量值基本持平，誤差維持在3%范圍內。值得注意的是，由于鋰電池本身的性質，電壓值存在輕微波動，屬于正常現象。

圖8 靜置狀態下單節電池電壓

圖9 靜置狀態下電池總壓

然后，又對運動狀態下，不同時間節點處，電池的電壓進行監測。如圖10所示，在電池長時間使用狀態下PDA顯示的單節電池放電數據，與實測數據幾乎保持一致。如圖11所示，PDA顯示總壓值比實測值略高，這種誤差波動在電池使用過程中屬于正常現象。通過上述測試結果的檢驗以及關于電池電流及溫度的監測的綜合結果來看，設計的BMS完成了所有的預設功能，且性能穩定可靠。

圖10 運行狀態下單節電壓

5 結束語

為了提前防范和規避在退役動力鋰離子電池的梯次利用過程中存在的安全隱患，設計了具有藍牙傳輸和控制功能的可視化BMS.硬件方面，綜合考慮IO配置及主控芯片的數據處理速度，采用STM32作為主控芯片，在此基礎上設計外圍電路并模塊化測試。程序通過KEIL5編譯軟件，通過模塊化的方式，在各個基礎功能實現之后實現整合。經450天使用后發現，此管理系統很好地實現了電壓、電流、溫度等常規檢測，性能穩定。與常規BMS相比，本設計在傳輸和控制方面更具有優勢。通過PDA顯示，藍牙傳輸，實現實時控制電池充放電、電池保護參數設置、狀態檢測等。本設計小巧、直觀、操作便捷、實用性更強的產品，具有非常廣闊的應用空間和市場。