电池管理系统BMS

一、BMS的相关介绍研发的目标和范围

概 述

电动汽车电池管理系统BMS主要用于对电动汽车的动力电池参数进行实时监控、故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保障电动汽车高效、可靠、安全运行。

项目研发目标

• 实时跟踪电池运行状态及参数检测：实时采集电池充放电状态，采集数据有电池总电压，电池总电流，每个电池箱内电池测点温度以及单体模块电池电压等。由于动力电池都是串联使用的，所以这些参数的实时，快速，准确的测量是电池管理系统正常运行的基础。

• 剩余电量估算：电池剩余能量相当于传统车的油量。荷电状态（SOC）的估算是了为了让司机及时了解系统运行状况。实时采集充放电电流、电压等参数，并通过相应的算法进行剩余电量的估计。

• 充放电控制：根据电池的荷电状态控制对电池的充放电，当某个参数超标如单体电池电压过高或过低时，为保证电池组的正常使用及性能的发挥，系统将切断继电器，停止电池的能量供给和释放。

热管理：实时采集每个电池箱内电池测点温度，通过对散热风扇的控制防止电池温度过高。

均衡控制：由于电池个体的差异以及使用状态的不同等原因，电池在使用过程中不一致性会越来越严重，系统应能判断并自动进行均衡处理。

故障诊断：电动汽车电池的工作电压一般都比较高（90V-700V），系统应监测供电短路，漏电等可能对人身和设备产生危害的状况。

电池状况预测和报警：通过对电池参数的采集，系统具有预测电池组中单体电池性能、故障诊断和提前报警等功能，以便对电池进行维护和更换，以保证安全。

信息监控：电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示。

参数标定：由于不同车型使用的电池类型、数量，每个电池箱容量和数量不同，因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池模式等信息标定的功能。

二、系统组成

系统框图

系统框图概述

采集单元：每个采集单元可测量19节电池端电压及6个测量点温度和1路风扇控制，安装在每个电池箱内。

电池均衡控制模块：当电池箱内电池电压不一致超过规定值时，在充电电流小于一定值后，可自动对电池进行均衡。

主控单元：主控单元完成对电池组总电压、总电流的检测，并通过CAN总线与采集单元、均衡模块、显示单元或车载仪表系统及充电机等通信。

显示单元：用于电池组的状态以及SOC等各种参数的显示、操作等，并可保存相关数据。

整个项目中，即在1个电池箱内按装1个采集单元或加入1个电池均衡模块，若干个采集单元（+若干个均衡模块）+1个主控单元+显示单元，所有模块都通过车内CAN总线相连，组成BMS系统。

型号命名

采集单元

• 主要技术参数

    型   号：TBMS0519-A

    供电电源：DC24V±30%

    电压测量范围及精度：0 - +5V，≤±0.2%

    最大检测周期：≤0.2S

    检测电池只数：23节

    温度检测路数及精度：6路，≤±1℃

    风扇控制：1路（可驱动DC24V/0.15A风扇6个）

    通信口：1路CAN，1路232

    运行温度：-25℃ - +70℃

主控单元

• 主要技术参数

    型   号：TBMS-I-A

    供电电源：DC24V±30%

    电压测量范围及精度：0-750V（可选），≤±0.2%

    电流测量范围及精度：-300A - +300A，≤±0.5%

    SOC估算精度：≤±8%

    正负极对地绝缘监测：0-999.9KΩ

    通信口：2路CAN，1路RS485

    运行温度：-25℃ - +70℃

显示单元

显示单元选用7”带触摸屏真彩显示，系统采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案，重新设计电源；CAN总线以及与上位PC机之间通讯用485总线系统采用光耦隔离；主板和核心板分开设计，以及采用汽车级别的相关芯片，系统稳定性高，保证该系统能在汽车这样的恶劣环境下工作。

• 主要技术参数

    型   号：TBMS-D-A

    供电电源：DC24V±30%

    显示屏尺寸：7吋（分辨率800X480）

    键盘：最大外扩64键，支持触摸屏输入

    语音：最大输出功率1W

    通信口：1路CAN，1路RS485，1路以太网

    运行温度：-25℃ - +70℃

三、软、硬件设计

硬件设计特点

• 采集单元

CPU选用集成了CAN控制器模块的dsPIC30F系列芯片；

CAN收发器选用MCP2551，通过CAN总线与其他控制系统进行通信；

电池电压采样选用12位精度的ADS7841进行差分取样，消除干扰，同时差分输入保证了电池组与检测电路不共地；

温度测量选用数字温度传感器DS18B20，采集电池箱内测试点温度；

由于电动汽车用电环境复杂，有很强的电磁干扰！从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰采取如下措施：

1）在CPU和CAN收发器之间加入高速光耦隔离器，并增加瞬变二极管，共模电感，热敏电阻等保护措施；

2）单片机工作电源与车辆电源地线隔离，消除地线窜扰的可能；

3）数字温度传感器使用屏蔽电缆封装，并将屏蔽地搭铁，CAN总线选用屏蔽双绞线；

4）PCB板制作尽量加大线间距，以降低导向间的分布电容并使其导向垂直，以减小磁场耦合，减小电源线走线有效面积及选用性价比高的器件等。

• 主控单元

与采集单元一样，硬件设计增加了多种抗干扰措施，以保证在恶劣电磁环境下可靠运行；

总电流采样采样二档设计，以保证在小电流和大电流情况下，测量精度≤0.5%。

• 显示单元

采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案，经过重新设计电源，以及采用汽车级别的相关芯片，系统稳定性高；

CAN总线以及与上位PC机之间通讯用485总线系统采用光耦隔离，主板和核心板分开设计；

显示选用7”真彩触摸屏，操作简单、明了。

电池电压采样电路

电池电压采样采用差分输入、光耦继电器切换，光耦隔离，电路简单，保证测量精度。

通信保护电路

此为CAN2通讯接口电路，采用瞬变电压抑制二极管和自恢复保险丝组成保护电路，并加入共模电感提高抗干扰能力。

温度取样电路

温度取样部分采用总线方式设计，简化了温度传感器的接入。

并提供了隔离保护。

软件设计特点

系统软件均采用模块化程序设计；

多种软件抗干扰设计，如数字滤波算法，冗余，软件陷阱，看门狗等技术，防止程序失效，保证系统正常运行。

在SOC的估算上采用现在比较成熟的方法，根据电动汽车的工作状态（行驶，静置，充电），分别采用安时法、开路电压法进行SOC估计，在采用安时法简单有效的基础上，在特定条件下采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差，保证SOC精度在8%以内；

显示监测系统使用定制的linux2.6.24操作系统，界面采用QT4.62，上位机软件也采用QT4.62进行开发，主要实现：标定程序，SOC估算程序，故障分析子程序，信号监控与报警子程序，实时数据保存，数据和曲线显示，各开关状态显示等功能；

由于从操作系统到开发环境都自行研发完成，所以可以方便的制作出客户需要的介面，而且不存在版权问题。

Windows下标定软件也用QT开发，不存在版权问题

自已定制的可视开发界面

四、项目主要特点

产品主要特点

项目方案的特色

采用分布式隔离检测技术，全系统分为四个主要子系统，即采集单元、均衡模块、主控单元、显示单元，四个模块之间采用CAN总线方式进行通讯；

鉴于汽车内工作环境恶劣，将所有测量单元尽量靠近测量源并采用单独的测量单元。大大减少环境对各取样点的干扰，提高测量精度；

电池电压测量采用差分输入，光耦继电器切换方式进行采样，在保证电压测量精度的基础上，大大简化了采样电路，保证了其稳定性和可靠性；

检测精度高。电压测量精度≤±0.2%；电流检测采用二挡自动换挡霍尔传感器，测量精度在10%Ie及以下和10%-100%Ie时，均能保证≤±0.5%；

芯片选用汽车级芯片以及高速光耦隔离、瞬变二极管抑制，共模电感，热敏电阻等保护措施，可以在强磁场环境下可靠工作；

显示系统除核心板外，软、硬件及驱动程序等都是自行开发，大大降低了成本；

功能完善。BMS采用分布式设计，具备对单体电池状态如端电压、特征点温度等实时监控、充放电控制、故障分析及定位、整组电池SOC估算、热管理、实时数据存储及数据库管理等强大功能；

BMS主机、采集单元面板设置了电源、运行、过压、过热等指示灯，可以直观方便的了解电池的工作状态；

防水防尘设计。为了满足车辆的恶劣运行环境的需求，BMS外壳采用铸铝浇铸一次成型，具有防尘、防溅水功能；

模块化设计，减少产品规格，有利于采购，生产管理，检验等各个环节的成本控制，有利于降低整个系统的价格。

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