基于動力電池系統的電池管理硬件設計

關鍵詞：BMS；硬件設計；電池管理系統；電流采集；通信接口

0引言

動力電池作為一種高性能、高安全性的二次電池，近年來在電動車、儲能系統等領域得到廣泛應用。然而，動力電池的性能和壽命受到許多因素的影響，如溫度、電流過大、電壓過高或過低等。為了確保動力電池的安全和性能，電池管理系統（BMS）被引入并發揮著關鍵作用[1]。將BMS系統應用到電動汽車管理中，能夠保證所有電池在可運行范圍內有序工作，避免電池組出現溫度過高、過充和過放等問題[2]。然而，一個高效可靠的BMS系統不僅依賴于軟件算法的設計，也需要合理的硬件設計來支持其功能和性能。

因此，本論文的目標是基于動力電池的電池管理系統硬件設計與實現。通過詳細研究和分析動力電池的工作原理和BMS的功能要求，我們將設計和實現一個完整的BMS硬件系統，包括電池參數測量電路、保護電路、均衡電路和通信接口電路。

1電池管理系統功能

動力電池的電池管理系統具有以下幾個功能。

（1）電池參數測量。BMS硬件負責測量和監控電池的關鍵參數，包括電壓、電流、溫度等，這些參數的準確測量對于電池狀態的評估和管理至關重要。

（2）電池狀態估計。BMS硬件通過對電池參數的測量和分析，實時估計電池的狀態，如剩余容量、剩余壽命及健康狀況等。這有助于確定電池的可用能量，并提供對電池性能的預測和評估。

（3）故障檢測和保護。BMS硬件負責檢測電池的故障和異常情況，如過充、過放、過流和短路等。一旦檢測到異常，BMS硬件將采取相應的保護措施，如切斷電池電源、觸發警報等，以防止電池損壞和安全事故的發生。

（4）平衡和均衡控制。對于多個電池單體組成的電池組，BMS硬件需要進行均衡控制，以確保各個電池單體之間的電荷和放電狀態均衡。這有助于提高電池組的總體性能和壽命。

（5）溫度管理。BMS硬件需要監測電池的溫度，并根據溫度變化采取相應的措施，如調節充放電速率、觸發散熱裝置等，以確保電池在安全的溫度范圍內工作。

（6）通信和數據交換。BMS硬件需要與車輛的其他系統進行通信和數據交換，以實現對電池狀態的監控和管理。這包括與車載計算機、充電設備以及車輛網絡的接口和通信協議。

2電池管理系統硬件電路設計

2.1電池參數測量電路設計

在電池管理系統（BMS）中，電池參數的準確測量對于電池的安全和性能至關重要。電池參數測量電路設計包括選擇合適的傳感器、電路和算法來測量電池的電壓、電流及溫度等關鍵參數。設計中需要考慮傳感器的精度、抗干擾能力以及與BMS主控制器的接口方式，以確保準確測量和可靠傳輸電池參數數據[3]。

2.2電池狀態估計電路設計

選擇適合的傳感器來測量電池的關鍵參數，如電壓、電流和溫度；設計高精度的模擬電路和放大器，以確保傳感器信號的準確采集和放大；采用高性能的模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號；選擇適當的處理器或微控制器來執行狀態估計算法，并確保具備足夠的計算能力和處理速度；設計合適的電源電路和電隔離措施，以確保電路的穩定性和安全性；考慮EMC（電磁兼容性）和防護措施，以減少外部干擾對電路的影響。綜合考慮這些硬件要點，可以實現準確、可靠的電池狀態估計電路設計。

2.3電池保護電路設計

電池保護電路設計是為了保護電池免受過充、過放、過流和短路等危險情況的影響。該設計通常包括保護芯片、保險絲、電壓比較器、電流傳感器等元件的選擇和布局。保護芯片可以監測電池的電壓和電流，并在檢測到異常情況時觸發保護措施，如切斷電池與負載的連接，以防止電池損壞或事故發生。

2.4電池均衡電路設計

電池均衡電路設計旨在解決多個電池組成的電池組中，由于電池之間的差異導致的容量不平衡問題。該設計通常使用均衡電路來調整每個電池的充放電狀態，使得各個電池之間的電荷狀態保持一致。均衡電路可以通過調節電流流向來平衡電池之間的電荷差異，從而延長整個電池組的壽命和性能。

2.5溫度管理電路設計

BMS的溫度管理電路設計要點包括選擇適合的溫度傳感器、設計信號調理電路、采用合適的控制器執行溫度監測和控制算法、設計有效的散熱系統及實施溫度保護機制等。

2.6通信接口電路設計

BMS需要與其他系統或設備進行通信，如車輛控制系統、能源管理系統等。通信接口電路設計涉及選擇合適的通信協議（如CAN、RS485及SPI等）、接口電路和通信芯片，以實現與外部設備的數據交換和控制。設計中需要考慮通信速率、抗干擾能力、數據安全性等因素，并確保與外部設備的兼容性和穩定性。

3硬件實現

系統框架由一款國產芯片作為主控芯片，以12V為主電源，使用模擬前端芯片監測電池狀況，基于CAN芯片構成通訊系統以及外圍電路構成。

3.1主控系統

本方案使用了一款國產芯片，主要通過菊花鏈通訊，實時監測電池狀況，對采集到的數據進行處理和分析，生成電池狀態報告。同時完成低壓側電路的一些模擬信號、數字信號的采集，通過CAN、UART、SPI等通信接口與外部設備（如車輛控制單元、充電器等）進行數據交換，同時檢測和診斷系統故障，如傳感器故障、通信故障等。

3.2電流檢測

主要檢測方案有兩種，包括霍爾AD檢測方案、分流器方案。霍爾電流檢測基于霍爾效應，該效應是指當電流通過導體時，垂直于電流方向的磁場會引起導體兩側產生電勢差。通過將霍爾元件（霍爾傳感器）嵌入電流路徑中，可以利用霍爾效應來測量電流的大小。霍爾傳感器輸出信號在控制器上，經過電阻分壓、防護、采樣、濾波，輸出到單片機的AD。根據霍爾傳感器的電流計算方式，實現外部母線電流的采集（圖1）。

分流器電流檢測需要在電池包的總正與總負之間的高壓電路上串聯一個毫歐級別的電阻，具體的阻值需要根據BMS系統情況確定。當電池包的總電流在該電阻上流過時，會產生壓降，通過檢測壓降計算出流過的電流。但由于阻值較小，最大的電流一般也僅能產生毫歐級別的壓降，此時需要在電阻后級并聯運放對檢測值進行幾十倍的放大（圖2）。

3.3絕緣檢測

絕緣檢測使用GB/T18384.1—2001標準提供的方法，為了進行絕緣檢測，需要建立一個測量回路，該回路包括電池組、絕緣檢測設備和大地。檢測時，電池組的正極和負極分別連接到絕緣檢測設備，分別閉合高壓光耦繼電器S1、S2，計算出電池正和電池負對地的阻值。圖3中，B+電池總正，B-電池總負，PE是車架（即參考大地），RX、RY為待測的等效阻抗，R1、R2是BMS分壓電阻。測量方法如下。

步驟1：閉合S1，斷開S2，采集U1點對地的電壓為U1，采集電池的總電壓為U。見公式1。

式中：RX為待測的等效阻抗；R1、R2是BMS分壓電阻；U為采集電池的總電壓；U1為采集U1點對地的電壓；U2為采集U2點對地的電壓。

步驟2：閉合S2，斷開S1，采集U2點對地的電壓為U2，采集電池的總電壓為U。見公式2。

式中：RY為待測的等效阻抗；R1、R2是BMS分壓電阻；U為采集電池的總電壓；U1為采集U1點對地的電壓，U2為采集U2點對地的電壓。

分時切換S1和S2，根據步驟1和步驟2，以及上述兩個方程，進而可解出RX、RY的值。RX和RY分別為電池總正和總負對地的絕緣阻抗值。

3.4電池均衡

均衡電路的設計采用的是被動均衡，設計的時候采用AFE內部均衡，多采用旁路放電阻實現對高能量的電池模塊放電，使其與系統中最小電量的模塊保持一致[4]。采集芯片單通道最大均衡電流一般為mA級別，采集芯片內部支持均衡奇偶開啟，不支持全開。BMS（電池管理系統）是用于監控和控制電池組的設備。

均衡是BMS的一個重要功能，用于確保電池組中每個單體電池的電荷狀態保持一致，以提高電池組的性能和壽命。均衡可以通過兩種方式實現：主動均衡和被動均衡。兩種管理模式具備各自的優勢和缺陷，管理方式都是通過采集單體電池或電池組電流、電壓、溫度等數據信息，將其傳送給采集模塊[5]，而后經過通訊傳輸到單片機，從而完成控制管理工作。

3.4.1主動均衡

主動均衡是指BMS使用外部電路或器件來調整電池組中單體電池的電荷狀態。主動通常通過以下方式實現。

（1）電流均衡：BMS可以通過在電池組中引入電流，通過開關將電荷從高電壓單體電池轉移到低電壓單體電池，以實現均衡。這可以通過連接電感L、開關Q等器件來實現，電路框如圖4所示。

（2）電壓均衡：BMS可以通過調整電池組中每個單體電池的充放電電壓，使其保持在相似的水平，以實現均衡。這可以通過調整充放電電路中的開關或使用DC-DC變換器來實現。

主動均衡的優點是可以快速調整電池組中單體電池的電荷狀態，從而更有效地實現均衡。然而，它通常需要額外的電路或器件，并且可能會產生一定的能量損耗。

3.4.2被動均衡

被動均衡是指BMS使用電池組內部的自身特性來實現均衡，而不需要額外的電路或器件。被動均衡通常通過以下方式實現。

（1）電阻均衡：BMS可以通過在電池組中的每個單體電池之間連接電阻來實現均衡。當某些單體電池電壓較高時，電阻將消耗多余的電荷，從而使電池組中的電荷狀態趨于均衡，均衡框圖見圖5，其中Qn為均衡通流開關、Rb、Rm為均衡電阻、Cn為AFE電芯采集口、Sn為均衡通流口。

（2）放電均衡：BMS可以通過在電池組放電時選擇性地放電某些單體電池來實現均衡。當某些單體電池電壓較高時，BMS可以通過放電這些電池來減少其電荷，從而實現均衡。

被動均衡的優點是不需要額外的電路或器件，并且能量損耗較低。然而，被動均衡的調整速度較慢，可能需要更長時間才能實現均衡。

需要注意的是，主動均衡和被動均衡通常結合使用，以實現更好的電池組均衡效果。BMS會根據電池組的實際情況和需求選擇合適的均衡策略，并根據監測到的電池狀態進行動態調整。

3.5對外通訊

CAN電路一般包含整車CAN和內部CAN，其中整車CAN需注意增強浪涌防護，CAN通訊的基本電路如圖6所示。

整車CAN使用常電12.0V、5.0V和3.3V供電，當外部無報文及喚醒信號時，BMS中RTC電路和整車CAN保持低功耗工作，其余外設處于掉電狀態，當整車CAN外部有任意幀輸入，芯片輸出高電平喚醒BMS上DC-DC輸出5.0V從而喚醒BMS上其他外設。同時BMS通常使用菊花鏈通信（圖7），采用隔離芯片作為橋芯片，實現單片機的SPI信號與AFE芯片的菊花鏈信號相互轉換，AFE芯片再經過變壓器隔離通過菊花鏈串口信號與從機通信。

4結束語

綜上所述，我們的研究表明，設計的BMS硬件系統在電動汽車領域具有重要的應用前景和潛力。通過提供穩定可靠的電池管理和保護功能，該系統能夠提高電動汽車的性能、安全性和可靠性。未來的工作可以進一步優化BMS硬件系統的設計，并將其應用于更廣泛的電動汽車和能源儲存領域，推動電動汽車技術的發展和普及化。