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新能源汽车动力电池管理系统实验平台的设计与开发

2024-06-14 98 上传者：管理员

摘要：电池管理系统对于延长动力电池使用寿命，提高动力电池的使用效率具有重要意义。为了对动力电池管理系统进行各项性能实验研究和仿真分析，本文基于机电一体化产品开发思路，开发和设计了一款新能源汽车动力电池管理系统实验平台，研究了关键零部件选型方法、实验平台拓扑结构设计原理、相关电路设计和控制软件及程序编制方法等。该实验平台主要功能有电池状态监测、剩余电量估计、电池充放电管理、电池均衡管理等。

关键词：
动力电池
实验系统
新能源汽车
管理系统
设计
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1、引言

不论是纯电动汽车，还是混合动力汽车，电动汽车的驱动能量由动力电池提供，动力电池的性能优劣不但受动力电池本身参数的影响，而且受到动力电池管理系统性能的影响，国内外众多学者对电池管理系统本身进行了研究，涉及到动力电池管理系统现状及发展趋势[1]、动力电池管理系统设计[2,3,4,5]、电池管理系统控制策略研究[6,7,8,9,10,11,12]、但对动力电池管理系统实验平台研发和设计相关研究偏少[13,14,15],且相关实验平台的功能不够完善，能耗偏高，测试精度偏低。为此，本文基于机电一体化产品开发技术路线[16,17],结合车用动力电池系统的功能特点，开发了一款动力电池管理系统实验平台，可用于电池管理系统仿真、调试和测试等工作。

2、关键器件选型

2.1 动力电池前端采集方案的选型

电池电压采集可使用分离器件实现，也可使用集成电路实现。主流动力电池前端采集主要由集成电路实现，TI和NXP提供的动力电池前端采集芯片使用的较为普遍。

新能源汽车使用的电池数量大，对采集精度要求高，一般使用的前端采集芯片引脚较多，本项目为动力电池管理系统功能实验平台，使用16节电池，且分为两组进行采集，每个采集芯片的采集通道大于或等于8个，使用TI的BQ76930作为本项目的前端采集芯片，通过软件设置，每个BQ76930芯片可采集5-10串电池电压，满足项目需要。

该芯片主要功能有：一个纯数字MCU接口(I2C接口),一个核心温度采集和两个外部温度采集端口，一个16位量化精度的电流采集接口，5到10通道14位精度的电压采样通道，具有过流保护、短路保护、过压保护和欠压保护功能，内部带有电池均衡的MOS开关管，带有充电和放电低端控制的MOS管驱动接口，提供2.5V或3.3V低压线性稳压输出电源，可以通过软件配置电压采集通道，BQ769X0系列芯片功能框图如图1所示。

图1 BQ769X0功能框图

2.2 主控MCU的选型

动力电池管理系统使用主从式管理系统，由一个主控模块和两个采集模块组成，每个模块均需要用到MCU。汽车上常用的车规级MCU一般为飞思卡尔、恩智普等公司研制。对于侧重于研究的本实验系统，意法半导体系列芯片更加通用，因此本系统使用意法半导体的STM32F103C8T6芯片作为主控MCU。

STM32F103C8T6的内核为ARM 32-bit CortexTM-M3,该MCU内核为32位的ARM芯片，主频为72MHz, 具有64KB的Flash(程序)空间，20KB的SRAM(内存)空间，供电电压为2.0V-3.6V(一般使用3.3V),有7通道DMA控制方式，7个定时器，12路12位的ADC通道和丰富的GPIO可供使用，具有I2C、SPI、UART、CAN和USB等多种通信接口，有标准工作模式和睡眠、停止两种低功耗运行模式。使用SWD或JTAG程序下载与调试接口，工作温度范围为-40℃到+85℃,功能框图如图2所示。

图2 STM32F103xx功能框图

3、动力电池管理系统实验方案设计与关键技术

3.1 电池管理系统的拓扑结构

电池管理系统常见的拓扑结构有三种，分别是一体式、主从式和总线式，一体式主要应用于电池串联数量较少的车型，主从式主要应用于电池数量较多，但模组之间距离相对较短的车型。总线式主要应用于电池串联数量多，且模组之间距离相对较远的车型。虽然本项目使用的电池串联数量较少，但是为了能更全面研究BMS管理系统，仍然采用了主从式拓扑结构，即采用一个BMS主控板带多个BMS从控板，每个从控板采集若干串电池的电压，主控板与从控板通过CAN总线连接，电池管理系统的拓扑结构如图3所示。

图3 电池管理系统的拓扑结构

本项目使用16节磷酸铁锂电池，实际使用两块BMS从控板，每个从控板可以测量8串电池电压和两个电池温度，将采集到的数据通过CAN总线传送给BMS主控板。本项目还需要配备主控继电器、预充继电器、充电继电器、霍尔电流传感器、交流充电枪、放电负载、RS485通信总线及上位机软件等，以方便实验台架进行放电、充电操作，在上位机上显示BMS运行状态，存储测试数据。

3.2 BMS主控模块主要功能

BMS主控模块主要由电源管理电路、MCU电路、继电器控制电路、CAN接口电路、485接口电路、总电流测量电路、总电压测量电路、绝缘测量电路以及光隔离电路组成，主要功能如图4所示。

图4 BMS主控板功能框图

主控模块主要是收集从控模块采集的数据，并将数据发送给上位机显示，同时还需要采集总电流、总电压和高压母线的绝缘电阻，接收整车控制器的信号，控制总电源接通或断开，根据电池组温度状态，控制热管理控制模块工作。

主控模块的处理器使用STM32F103C8T6位单片机，运行时钟为72MHz, 能够满足本项目逻辑运算和时序控制需要。

3.3 BMS从控模块主要功能

BMS从控模块主要由电池电压采集电路、I2C隔离电路、电源电路、MCU电路及CAN总线电路组成。从控模块的电压采集电路可以采集8串电池电压，从控模块的MCU与电池电压采集电路使用隔离通信技术，确保低压12V相关电路与高压电路之间完全隔离。从控模块使用CAN总线与BMS的主控模块通信，将电池组的每串电池电压、过压、欠压等信号上报给BMS主控板。BMS从控模块功能如图5所示。

图5 BMS从控板功能框图

从控模块的处理器使用STM32F103C8T6单片机，使用I2C接口与电池电压采集电路通信，隔离模块使用NSI8100高可靠性2通道I2C双向数字隔离器。电池电压及温度采集模块使用BQ76930芯片，该芯片最多可采集10串电池电压及两个温度传感器信号，本项目中只采集8串电池电压和两个温度传感器数据。

3.4 从控模块电压采集与均衡电路设计

图6 BQ76930电压采集及均衡复合电路

均衡电路是电池管理系统重要电路，也是平衡锂电池容量差异的关键技术。BQ76930芯片可由MCU通过写寄存器方式来控制的均衡电路是否开启。由于BQ76930电池电压采集与电池均衡使用的是同一个引脚，为了能够采集电压更加稳定，要求输入滤波器电阻值较大，如果使用芯片内部的均衡电路，电池均衡电流比较小；为了获得更好的均衡效果，必需增大均衡电流，而使用芯片外部均衡电路是一种可行的技术方案，在提高均衡电流的同时，还可以保证采集电压的稳定。实际电压采集及均衡复合电路如图6所示。

如图6细蓝线所示，VCelln的电压经过Rc5和Cc5滤波后，送到采集端Vc5-Vc4端，保证了采集电压的稳定性；均衡时，Vc4吸入电流，Rc4产生压降，使得Q5导通，均衡电流从Vcelln正极通过电阻 Rconn5-Rbal5-Q5- Rconn4流入Vcelln的负极如图7粗蓝线所示；调整Rbal5可以调整均衡电流，但不会影响到电压采集的滤波参数，这样即保证了电池电压的采集稳定性，又能根据电池管理系统需要调整均衡电流。

3.5 从控模块MCU与BQ76930隔离通信电路设计

从控模块中BQ76930是前端采集芯片，芯片由电池组供电，属于高压部分；而从控模块中MCU需要与主控板通信，必须由12V低压系统供电。高压电路与低电路必须完全隔离。在功能上，从控模块的MCU需要读取BQ76930采集的数据，在需要均衡时要控制该芯片进行电池均衡，数据读取与均衡控制指令都是通过I2C接口实现，这需要一款隔离通信的接口芯片完成，根据本项目隔离电压及通信速率要求，选用NSi8100隔离通信专用芯片来完成隔离通信功能，具体电路如图7所示。

图7 NS8100隔离通信电路

图7中，右侧电源及信号来自于低压电路，M_SDA和M_SCL与MCU相连，属于低压I2C接口。左侧电源从BQ76930获得，B_SDA 和B_SCL与BQ76930相连属于高压I2C接口。NSi8100最高隔离电压可达到5000VRMS,最高I2C接口速率可达到2MHz, 满足本项目需要。

4、嵌入式程序编写

4.1 BMS主控模块程序编写

图8 BMS主控板程序流程图

主控模块程序是在Keil uVision5 下编写，BMS主控模块主要功能有：接收BMS从控模块发送的电池电压数据、电流数据、温度数据以及过压、过流、欠压、过温度等告警信息；接收上位发送的控制指令并完成相应控制功能；接收上位标定数据，并将标定数据存储到MCU的Flash存储器中；对收集到的数据进行判断，根据需要接通或断开主控继电器、预充继电器或充电继电器；计算所有电池电压之间的压差，若满足均衡条件，则给BMS从控板发送均衡指令；根据采集的电池电压及电流值，计算电池包的剩余电量(SOC);定时翻转LED运行指示灯以示MCU运行正常。主控模块程序流程如图8所示。

4.2 BMS从控模块程序编写

BMS从控模块主要功能有：初始化I2C接口，初始化BQ76930采集芯片，读取8串电池电压、电流、温度、过压、欠压及其它告警信息；接收BMS主控板开机及关机指令；接收BMS主控板均衡指令，并根据指令设置相应电池进行均衡；根据采集到温度传感器电压值，计算当前温度；根据定时事件，上报采集到的电池电压数据和温度值计算结果。从控模块程序流程如图9所示。

图9 BMS从控板程序流程图

5、实验平台的搭建

经过电路板设计制作，嵌入式程序编写，完成了实验平台的搭建，如图10所示，将所有设备固定安装在一块900mm*700mm的基板上，有完善的充电和放电设备，可以验证锂电池的充电放性能，电池电压的均衡性能，电池电压和电流测量精度，电池温度的测量准确度，电池组的SOC估算误差等参数。

图10 BMS实验系统平面布置图

6、结论

本文研究了新能源汽车动力电池管理系统实验平台的开发方法及技术路线，分析了核心零部件选型的影响因素，动力电池选型为磷酸铁锂电池，采样芯片选型为BQ76930,主控芯片选型为STM32F103C8T6。通过设计和开发PCB电路板及其硬件，并在编写了程序代码的基础上，本文最终搭建了实验平台，形成如下结论：

(1)采用主从式的电池管理系统拓扑结构，通过CAN通讯，可以实现对动力电池管理系统多参数的测试；

(2)采用芯片外部均衡电路，在提高均衡电流的同时，还可以保证采集电压的稳定；

(3)本实验平台可以完成电池的充电放性能，电池电压的均衡性能，电池电压和电流测量精度，电池温度的测量准确度，电池组的SOC估算误差等实验。

参考文献:

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