一種基于ZigBee無線網絡的電池管理系統的設計

關鍵詞：BMS；無線管理系統；ZigBee網絡；無線通信技術

目前市面上的新能源汽車主要采用鋰電池來提供動力。電池Pack作為新能源汽車的核心組成部分，動力電池成本占到整車成本的三分之一以上，也是決定汽車性能的核心因素。同時，在二手車市場方面，電池健康度是新能源汽車的殘值評估的重要標準，而鋰離子電池會不斷損耗的材料特性，也決定了BMS （電池管理系統）的重要性。BMS是連接電池與用戶之間的紐帶。

BMS主要作用是通過測量電壓、電流、溫度等參數來實時監控電池狀態信息[1]，分析電池安全性能、優化電池能量控制和延長電池使用壽命等。目前有線BMS架構采用基于菊花鏈配置的線束來連接電池組，整體占用空間大，制造工藝煩瑣，難以滿足電池持續實時監測的需求，且維修難度高[2]。

1 研究背景

電池管理系統能夠實時監測電池狀態、管理電池充放電、提高電池使用效率以及延長電池的使用壽命。該系統具有復雜的軟硬件，包括傳感器、控制器、執行機構等。它通過遍布電池包的傳感器獲取電芯的各種狀態信息，并將這些狀態信息傳遞給控制器。控制器進行決策后，通過執行機構進行調節和處理，使電池的狀態處于適宜的工作環境和安全環境當中。

目前電池管理系統各個模塊的連接一般采用線束和連接器的方式實現，布線復雜、重量較大，使得電池組的體積和重量進一步增加。同時，連接器的可靠性和使用壽命都對電池組的正常和安全工作有著很大的影響。

Zigbee技術主要用于傳輸速率低、功耗不高且距離較短的各種電子設備之間進行數據傳輸。此外，它在典型的低反應時間數據、間歇性數據和周期性數據之間的傳輸也應用廣泛。作為一種物聯網無線數據終端，Zigbee技術為用戶提供無線數據傳輸功能。采用ZigBee無線技術的電池管理系統，替代通過電纜和連接器工作的傳統電池管理系統，可以解決上述問題，對于減輕電池組的體積和重量、增強系統的可靠性都有著重要意義。

2 研究內容

本文提供了一種基于ZigBee無線網絡的電池管理系統的設計方案，能夠采用無線通信的方式降低電池管理系統的復雜度、體積和重量，增強系統的可靠性和穩定性。

ZigBee網絡的結構從上到下可以分為應用層、網絡層、媒體訪問控制層以及物理層。其中，ZigBee網絡的最下面的兩層直接按照IEEE802.15.4的標準去進行定義[3]。

基于ZigBee無線網絡的Battery Management Sys?tem的主要功能有：

1） 實時監測電池狀態。采用適當的算法，為實現電池內部狀態（如容量和SOC等）的估算和監控監測電池的外特性參數，比如電壓參數、電流參數、溫度參數等。

2） 在正確獲取電池的電壓參數、電流參數、溫度參數等狀態后，對電池進行熱管理、均衡管理、充放電管理以及故障報警等操作。

3） 通過Controller Area Network 總線導線、控制器、收發器和終端電阻向顯示系統、總控制器和充電機等實現數據交換。

4） 通過無線通信模塊，與同ZigBee無線網絡中的采集均衡節點進行數據交換。

該系統主要包括電池管理系統主控節點和采集均衡節點，如圖1所示。

1） 電池管理系統主控節點由電池管理系統主控模塊和基于ZigBee無線網絡的無線通信模塊組成。

2） 采集均衡節點由采集均衡模塊和基于ZigBee 無線網絡的通信模塊組成。

電池管理系統主控模塊主要包括一塊采集板，采集板上包含次級主控、AFE芯片、電壓采集、均衡模塊、溫度探頭和其他控制模塊幾個部分，可以用來測量總電流、控制繼電器（接觸器）、檢測總電壓與絕緣性，如圖2所示。

電池管理系統主控模塊主要負責通過無線網絡接收采集均衡模塊采集到的溫度、電壓、電流等信息，進行分析處理、存儲、發送、發出指令。

采集均衡模塊主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、絕緣采集模塊等，如圖3所示。

基于ZigBee無線網絡的電池管理系統各部分模塊的主要作用如下：

1） 電壓采集模塊。在本模塊中，每個單體電池包的電壓數據都會被監測。因為電池組在進行充放電的過程會影響到整個電池組的電壓不斷變化，所以每個單體電池包之間的電壓的一致性就會大大影響整個電池組的性能。為解決這個問題，可以采用專用的電壓采集芯片逐個對每個單體電池包的電壓進行模數轉換，就會獲得整組電池的電壓，從而會在過壓或欠壓的情況下啟動電路保護功能[4]。

2） 電流采集模塊。采用全范圍等精度比較高的分流器檢測整個電池組的總電流，以達到保證電流采集高精度的目的，從而為計算電池容量提供數據支持[5]。

3） 溫度采集模塊。整個電池組的溫度作為影響整個電池組性能的重要參數之一，它的數據過高或過低都會不同程度地破壞整個電池組，而且這種破壞不能夠被逆轉。為解決以上問題，可以采用數字式溫度傳感器，把每個溫度傳感器的數據線、地線以及電源線進行合并，再通過使用一根數據總線來進行通信。通信的結果可以監控目前整個電池組所在的環境的溫度，從而為Battery Management System 的主控模塊決策提供依據，選擇是否啟動風扇或加熱等。

4） 絕緣采集模塊。監控整車用電安全，以免造成用電事故。

3 具體實施方式

ZigBee無線通信模塊（Zigbee節點）通過ZigBee協議組建ZigBee無線網絡。模塊采用CC2620F128無線微控制器，CC2620F128具有極低功耗模式流耗，可以有效延長電池的使用壽命。CC2620 器件為32 位ARM Cortex-M3內核，具有極其豐富的外部設備功能集，其中包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器，這個獨特的低功耗傳感器控制器非常適合連接外部傳感器。不僅如此，在基于ZigBee無線網絡的BMS系統其余部分處于睡眠模式的情況下，它還適用于自主收集模擬和數字數據。這個特點也使它非常適合在能源采集型應用中使用以及應用于小型紐扣電池的供電系統中。

由于Zigbee節點對較大數據包的延遲較小，因此它可以封裝較高層的幀頭和命令，同時提供良好的性能，它可以與單播和廣播結合使用以提高可靠性。在采集節點中：

1） 電池單體電壓、電流采集。采集均衡節點的主控芯片通過高精度ADC轉換器獲取電池單體的電壓和電流信息。

2） 均衡模塊。均衡模塊主要由開關和消耗電阻組成。電池與電池之間都存在一致性差異，BMS均衡模塊主要通過參考電池組的電壓、電流等數據，確定是否通過開關和消耗電阻來消除電池使用過程中日積月累產生的能量失衡，保證其能量平衡。

3） 溫度采集。通過在電池外部的貼片熱敏電阻和線束接線處的熱敏電阻實現溫度測量。如果電池溫度升高就容易出現燃燒、爆炸等危險，一般來說電池溫度升高的原因一是電池內阻，二是外部接線柱與線束接線鼻之間的接觸電阻。電池在使用后不斷老化過程中，內阻會升高，同時如果接線柱連接不夠牢固，接觸電阻也容易變大，在大電流放電情況下，會釋放大量的熱量。所以，溫度測量對于電池監測非常必要，可以在電池溫度達到一定程度時進行報警，并通過采集板中的其他控制模塊實施一定的安全策略。

在次級主控模塊中不僅包含上述采集節點，也包含：

1） 電壓、電流采集。次級主控模塊的主控芯片通過高精度ADC轉換器獲取電池組的電壓和電流信息，通過采集模塊采集電池單體的相關信息。

2） 絕緣采集。絕緣采集主要通過高精度ADC轉換器測量直流母線與電底盤之間的電壓，計算得到系統的絕緣電阻值。

3） 其他控制模塊。其他控制模塊主要包含繼電器、風扇等，用于在接收到電池管理系統主控的控制命令時執行命令動作及安全保護策略。

4） 無線通信模塊。無線通信模塊采用CC2620F128模塊，通過ZigBee協議進行無線組網和通信。次級主控將采集到各類數據，通過無線ZigBee通信模塊以無線的方式發送到包含ZigBee協調器節點的電池管理系統主控模塊。

4 結束語

本文中，采集板負責采集電池單體的電壓、電流、溫度信息，并執行命令動作和安全保護策略，它屬于次級主控的一部分。次級主控主要功能是獲取電池組的電壓、電流、溫度信息，并將這些信息通過無線網絡發送至電池管理系統主控模塊。以上設計不僅確保了電池組的安全運行、健康檢測、狀態估計等功能，還通過無線網絡替代了傳統電池管理系統主控與次級主控間通過CAN總線通信的方式，有效降低了系統的復雜度、布線復雜度，以及電池組的整體重量，從而顯著提升了電池系統的性能。