BMS方案 锂电池管理系统

BMS方案 锂电池管理系统

锂电池管理系统 方案报告 2012-6-28 目 次

1 概述............................................................. 1 2 设计依据......................................................... 1 3 目标............................................................. 1 3.1 总体目标....................................................... 1 3.2 锂离子电池技术指标............................................. 1 3.3 BMS功能与技术指标要求 .......................................... 1 4 设计方案......................................................... 2 4.1 系统概述....................................................... 2 4.2 系统组成....................................................... 3 4.3 模块实现....................................................... 4 4.3.1 主控模块..................................................... 4 4.3.2 检测模块..................................................... 4

高压检测模块................................................. 5 4.3.3

4.3.4 均衡技术..................................................... 6 4.4 接口设计....................................................... 6 4.4.1 采集模块外部接口............................................. 7 4.4.2 主控模块外部接口............................................. 7

4.4.3 主控箱外部接口............................................... 8 4.5 软件设计....................................................... 9 4.5.1 软件总体设计................................................. 9 4.5.2 系统上下电设计.............................................. 10 4.5.3 安全管理设计................................................ 11 4.5.4 SOC估计 .................................................... 12 4.5.5 热管理设计..................................错误～未定义书签。

5 进度安排........................................错误～未定义书签。 I 1 概述

锂电池在能量密度、功率密度和循环使用寿命方面等方面的明显优势，使其成为纯电动汽车动力电池的首选。锂电池现在的循环寿命，许多厂家已经能稳定达到1500次以上，但是在电动汽车中串并联成组使用时，由于各单体动态性能的不一致性，使得各单体电池在实际使用中工作电压变化、容量、能量、内阻等方面逐渐产生差异，最终导致成组寿命不到单体循环寿命的一半。同时锂离子电池在使用过程中不能过充过放，否则将导致电池组寿命快速下降，严重的甚至可能导致安全问题。为确保锂电池性能安全良好，延长电池使用寿命，必须通过电池管理系统对电池进行合理有效的管理和控制。

电池管理系统(Battery Management System，BMS)通过实时监控电池的工作状态，从而预测电池的容量，避免电池出现过放电、过充电、过热和单体电池之间严重不平衡等状况。电池管理系统对电池组的安全、优化使用，对于整车的安全运行，整车能量管理策略，充电方式的采用，以及运行成本都有很大的影响，是电动汽车的关键组成部分之一。目前，所有的锂动力电动汽车都安装电池管理系统。

2 设计依据

《GB/T18384.1-2001电动汽车 安全要求 第1部分:车载储能装置》; 《GB/T18384.2-2001电动汽车 安全要求 第2部分:功能安全和故障防护》; 《GB/T18386-2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》; 2001电动道路车辆用锂离子蓄电池》; 《GB/Z18333.1- 《GB/Z18333.1-2001电动道路车辆用锂离子蓄电池》。 3 目标 3.1 总体目标

根据研制任务要求，结合电池管理系统技术发展现状和趋势，设计电池管理系统总体框架结构，解决模块化设计、SOC高精度估算、系统高均衡能力、安全管理等关键问题，研制出一套锂电池管理系统。

3.2 锂离子电池技术指标 电池:

电池类型:锰酸锂电池 额定电压:3.65V 单体最低电压: 单体最高电压: 最大放电能力:3C 最大充电电流: 电池组:

电池组最高电压:600V(暂定) 电池连接方式:先并后串 电池组最大放电能力:2C(暂定) 最大充电能力:

3.3 BMS功能与技术指标要求 序号 项目 指标 备注

1 单体电池电压检测精度 ?10mV 1

2 总电压检测精度 ?1V 3 总电流检测精度 ?0.5% 4 温度检测精度 ?1? 5 SOC估算精度 ?8%(纯电动工况) 6 绝缘阻抗检测精度 ?10% 7 充放电管理功能 8 自动

均衡功能 最大值0.5A 9 温度管理功能 风冷方式 10 故障的在线检测及诊断 过压、过流、过热实时告警，

同时切断电源 11 电池异常状况的报警及保护 12 与整车及充电机实时通信 CAN2.0B通讯 13 数据信息的存储、处理及显示 14 漏电流检测、报警及保护功能 15 工作温度 -20?~50? 16 储存温度 -40?~80? 17 防护要求 IP55 4 设计方案

4.1 系统概述

电池管理系统主要包括数据采集、状态估计、热管理、数据通信、数据状态显示、安全管理、能量管理和故障诊断等功能。功能框图如下图1所示。

状态估计 故障诊断 上位机 数 据

通整车控制器 信 数据状态显示 安全管理 电机控制器

热管理 数据采集 能量管理 负载 充电机 电压 电流 温度 图1 电池管理系统功能框图

电池状态估计包括SOC估计和SOH(State of Health，电池健康状态)估计。SOC提供电池剩余电量的信息。SOH目前技术不成熟，一般通过建立专家系统，对长期收集的数据进行研判，判断电池的健康状态。

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数据采集包括电池单体电压采集、电池温度采集和充放电电流采集，为热管理、能量管理、安全管理和电池状态估计等提供数据。

热管理指BMS建立管理策略，控制电池热管理系统工作，使电池组处于最优工作温度范围。

数据通信是指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机、充电机等非车载设备进行数据交换的功能。

安全管理是指电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全状态时，给予不安全状态报警，并根据安全状态进行断路等紧急处理。

能量管理对电池组充放电过程进行全程控制，其中包括对电池组内单体或模块进行电量均衡。

故障诊断使用专家系统及时发现电池组内出现故障的单体或模块，进行故障分析和定位。 4.2 系统组成

电动汽车使用的动力电池组由若干个单体电池串联而成，电池单体的数量较多，需要采集的电池信息量大。当前有集中式采集和分布式采集两种电池管理系统结构。

集中式采集电池管理系统将所有的单体电池采集线、温度采集线、总电压采集线、总电流采集线以及控制线等都接入一个控制模块，实现所有的采集、计算和管理功能。集中式采集电池管理系统一般与整个电池组集成在一个电池箱中。

分布式采集电池管理系统基本思路是将串联的电池组进行分组，每组电池由一个本地单元来进行单体信息的采集和处理;由一个主控单元实现上层充放电管理、均衡管理、温度管理、状态估计、安全管理等功能;单元之间通过内部CAN总线进行数据交互。分布式采集电池管理系统一般将本地单元与电池组集成在一起，主控单元与直流接触器、熔丝等集成在一起，电池组实现分箱串联，易于在车上布局。

考虑当前电池性能动态不一致问题和整车电池箱布局，结合电池管理系统技术发展现状和趋势，电池管理系统布局采用了分布式结构，主控模块及高压控制电路布局在主控箱内，各采集板随其自身管理的各电池单体及温度采集点布局在电池包内。各采集板通过一条低速CAN总线与主控板进行数据传输。主控板通过另一条高速的CAN总线与整车控制器进行通讯。电池管理系统总体结构框图如图2所示:

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图2 电池管理系统总体框图

图,中，主控模块(Battery Control Unit，BCU)主要通过内部CAN总线与检测模块、高压检测模块通信，接收相应测量信息，实现充放电管理、均衡管理、温度管理、状态估计、安全管理和数据通信等功能。电池信息检测模块(Battery Measurement Unit，BMU)主要实现单体电池电压测量、温度检测、电池组均衡控制和CAN总线通信功能。高压检测模块(High Voltage Measurement Unit，HMU)主要实现电池系统总电压测量、系统总电流测量，电池动力母线与车底盘之间的绝缘电阻检测和CAN总线通信功能。

4.3 模块实现 4.3.1 主控模块

主控模块(BCU)通过CAN1总线与BMU、HMU通信，接收相应测量信息，包括单体电池电压、温度、系统总电流、系统总电压、母线绝缘电阻等，实现充放电管理、均衡管理、温度管理、状态估计、安全管理等功能，通过CAN2总线与外部整车控制器、充电机、车载显示器通信，实现外部数据交换。

BCUCAN212V电源电源变换CAN控制器CAN隔离收发模块 ON信号

CAN1CAN隔离收发模块硬件看门狗 DSP

最小系统串口通信RS232模块存储设备

高压开系统时钟继电器驱动信号硬件互锁关控制 图3 主控模块框图

核心DSP选用TMS320F2812。TMS320F2812采用高性能的静态CMOS技术，具有主频可达150MHz，低功耗设计，支持JTAG边界扫描接口，128KB的片上FLASH存储器，18KB片上RAM，高达56个可配置IO引脚，提供SCI、SPI、CAN串口通信外设等特点，满足BCU设计控制需求。

CAN隔离收发模块拟采用快速光耦隔离，CAN收发器可选用MCP2551、PCA82C250、TJA1050等。

4.3.2 检测模块

检测模块(BMU)实现单体电池电压测量、温度检测、电池组均衡控制、风扇驱动和CAN通信功能，其功能框图如下图4所示。

4

BMU风扇风扇驱动模块12CAN总线控隔离总节电压检测模块制线模块串芯联温度检测模块外部供电隔离电片电源模块池均衡模块

组

图4 BMU功能框图

BMU采用集成芯片LTC-6802完成核心电池单体电压检测功能。LTC-6802能够检测最高达12路串联锂电池电压信息，芯片采样AD为12位，满足系统单体电压采集精度要求。

控制芯片选用DSPIC30F5011。DSPIC30F5011除有大量的IO引脚用于控制功能外，还集成有SPI接口(与LTC-6802通信)、CAN接口(与BCU通信)，满足单元功能要求。 4.3.3 高压检测模块

高压检测模块(HMU)实现电池系统总电压测量、系统总电流测量，电池动力母线与车底盘之间的绝缘电阻检测、隔离供电和CAN总线通信功能，其功能框图如下图5所示。

电流传感器信号HMU电流检测模块CAN总线控隔离总电压传感器信号制电压检测模块线模块器

直流正母线模外部供电隔离电绝缘电阻块直流负母线源模块检测模块 图5 HMU功能框图

核心控制芯片选用与BMU控制相同的芯片DSPIC30F5011，该芯片除具有CAN接口外，同时还有16路12位片上AD和大量IO口，能够很好满足设计需要。电流采集初步决定选用分流器(300A/75mV)进行电流采样。

绝缘电阻检测模块检测动力电池与车底盘之间的绝缘电阻。绝缘检测方法如图6所示。检测电路主要有开关和已知电阻数值的电阻R1、R2组成。RP和RN为待求绝缘电阻，检测原理为:当开关K1、K2 均断开时，此时的到电池组母线间电压U，然后闭合K1，断开K2，此时检测到正母线对地的电压U1，然后闭合K2，断开K1，此时检测到负母线对地电压U2，再根据U1、U、U2、R1和R2列方程求解。其中开关初步选用光继电器AQW216A。

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图6 绝缘检测原理图 4.3.4 均衡技术

均衡充电作为减小电池组内电池不一致性的有效方法，国内外都开展了一定的研究，目前常见的均衡充电方案如下。

(1)旁路电阻分流法

旁路分流均衡法对每一节电池都接上一个旁路。在浮充阶段，将那些已完全充满的单体的旁路接通以进行分流。这种方法的电路是所有均衡方法中最简单的，成本也最低，缺点是管理系统发热。

(2)飞渡电容法

飞渡电容法让相邻两节电池共享一个快速电容，这个快速电容在两节电池间不断转换，将高电量电池的部分电量转移到低电量电池上去，每个电容只需要一个简单的控制器件来接通开关，几个穿梭充电模块串联起来就可以对高电压的串联电池组进行均衡。用这种方法，如果高电量电池与低电量电池分布在电池组的不同端，则电量从一端传到另一端需要耗费很长的时间，因为电量经过每一节单体都有时间的损耗，主要缺点是需要时间比较长。

(3)电感储能法

电感储能均衡法也属于能量非耗散型均衡，均衡启动后，通过控制开关通断，容量高的单体电池的能量通过电感储能元件转移到相邻的单体电池中。当需要均衡的电池单体相隔较远时，效率较低。其控制策略是:若均衡电路在相邻单元间压差达到允许范围内时即可停止工作。

(4)变压器能量转换法

变压器能量转换法通过变压器存储需要转移的能量。当系统检测到低能量单体，变压器电池组侧功率开关导通，原边形成回路通过电流，能量储存于变压器线圈中;开关关断时，变压器储存的能量释放到电池单体，能量低的单体吸收能量。理想情况下，同轴多副边绕组(副边匝数相同)各副边电压相同，相应地，能量最低的单体(端电压低)吸收最多的能量。虽其主要缺点是过多的副边给变压器的设计和实现带来难度。

(5)均衡方案

通过对当前多种均衡技术进行专项研究，考虑系统可靠性和产品成本，第一套样机选择旁路电阻分流均衡法作为系统均衡方案。具体设计时注意考虑旁路电阻散热问题，提高系统可靠性。

同时，考虑技术的发展趋势，对主动均衡技术，特别是电感储能均衡技术进行关键技术研究，为后续样机奠定基础。

4.4 接口设计 6

4.4.1 采集模块外部接口

采集模块的功能是采集至多12个电池的单体电压及两个温度测量点的温度信息并将以上数据通过CAN总线发送给主控模块。每个采集模块包含两个外部接口，

分别为J1(DB-20)单体电池电压及温度信息采集接口和J2(DB-12)电源及通讯接口。J1、J2各针定义如图7所示:

图7 采集模块外部接口针定义图 4.4.2 主控模块外部接口

主控模块可分为高压部分与低压部分。高压部分的功能包括电池包总电压、总电流的采集及正负极继电器、预充电继电器闭合与关断。低压部分的功能包含与采集模块的CAN通讯、与整车控制器的CAN通讯以及LCD显示屏的驱动显示。主控模块对外有6个接口，分别为J1(DB-12)与采集模块通讯及电源接口、J2(DB-12)与整车控制通讯及LCD显示接口、J3(DB-16)电池包电压信号采集接口、J4主控模块电源接口、J5继电器控制接口和J6预留接口。各接口针定义如图8所示:

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图8主控模块外部接口针定义图 4.4.3 主控箱外部接口

主控箱内部承载着主控模块、部分高压控制继电器、电流传感器和绝缘检测传感器以及为各模块供电的DC-DC转换器。主控箱包含5个外部接口，分别为J1(DB-5)检测模块通讯及电源接口、J2(DB-7)LCD显示屏接口、J3(DB-2)电池包正极电压采集接口、J4(DB-3)与整车控制器通讯接口、J5(DB-4)主控箱电源接口。各接口针定义如图9所示:

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图9主控箱外部接口针定义图 4.5 软件设计 4.5.1 软件总体设计

BCU主函数流程图如下图10所示。 9

开始CAN数据包协议解析DSP初始化 YES严重故障故障判断,故障处理系统自检 NO普通故障SOC初值计算

系统上电、下电发送CAN命令，启动BMU测量单体电YES已充满电池电压和温度充电信号,充电管理

未充满电启动HMU测量系统NO总电压、总电流和母线绝缘电阻系统状态估计 启动中断 热管理

接收到YESYES需要数据发启动CANCAN数据,送,数据发送NONO 直流接触器控制数据记录

NO关机命令,(严重故障或已充满电) YES 数据记录 BMS关机

图10 BCU主函数软件流程图 4.5.2 系统上下电设计

系统上电、下电流程如图11所示。 10 开始

ON信号启动ON档信号,上电信号

ON信号丢失否预充继电器闭合已闭合,预充继电器 是

下电信号否预充完成, 是

闭合总正继电器 断开总正继电器

闭合总正继电器，断开预充继电器，完成上电 结束

图11 系统上电、下电流程图 4.5.3 安全管理设计

系统安全管理主要通过电池故障预警和处理实现。在电池组使用过程中，通过采集的电池相

关参数，通过故障判定条件来判定电池系统的当前状态并进行相应处理。系统分为一级故障和二

级故障。在BMS检测到一级故障时，BMS系统报警,提醒用户;在BMS检测到二级故障时，BMS通

过整车CAN上报故障，整车控制电机等用电设备提前停止工作，BMS延迟5s(自定义)关闭放电

总正接触器，关闭系统。电池故障判定表如表1所示。 表1 电池故障判定表

编号 项目 一级故障判据 二级故障判据 1 温度不均衡阀值 8? 15? 2 电压不均衡阀值 0.3V 0.5V 3 温度故障阀值过高 40 55

4 单体过压故障阀值 充电:3.65V 充电:3.8V

放电:3.0V(持续5 单体欠压故障阀值 放电:2.5V 10S) 6 总电压过压故障阀值 充电:378 充电:383 7 总电压欠压故障阀值 放电:315 放电:294 8 过充电故障阀值 充电:40A 充电:70A 9 过放电故障阀值 放电:120A 放电:210A 10 SOC过高 100% / 11 SOC过低 20% 5%

<500Ω/V & >100Ω12 绝缘故障 <100Ω/V /V 13 BMS自检失败 / ? 11

4.5.4 SOC估计

电池荷电状态SOC是电池使用过程中的最重要的参数之一。由于SOC受充放电倍率(电流)、温度、自放电、老化等因素的影响，使得电池在使用过程中表现出高度的非线性，使得SOC精确估算困难。目前较常采用的方法有放电实验法、安时计量法、开路电压法、负载电压法、神经网络法以及卡尔曼滤波法等。

通过对不同SOC估算方法进行深入研究，初步选定以安时计量法为基础，通过对电池电流进行准确测量，结合开路电压法求得初值，考虑电池充放电效率因子、

温度、老化、自放电影响，实现对纯电动车动力电池的动态管理。对于纯电动汽车而言，电池组基本工作在满充满放状态，充电过程大部分为恒流充电，在充电完成时有一个相对稳定的初始值确定点(充电完成时SOC为100%或略为过充)，如果电池组的充电效率很高(95%以上)，可以认为充电效率近似为1或等于某一恒定值，采用该方法计算SOC可以获得比较好的效果。每一个充放电周期的累计误差在下次充电完成的时候基本可以随SOC初始值的重新标定而消除。

通过对电池电压、电流、温度信息进行高精度测量，保证SOC估计输入的精确性，通过理论分析和对试验数据进行拟合，建立有效的电池模型，通过充放电末期修正SOC消除SOC累计误差，考虑电池充放电效率因子、温度、老化、自放电影响，实现系统SOC高精度估算。

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