【原創(chuàng)】電池管理系統(tǒng)(含均衡器)設(shè)計

看到最近電池管理系統(tǒng)（BMS）好像挺火的，尤其是電動汽車電池管理系統(tǒng)。所以結(jié)合以前做過的產(chǎn)品的一些經(jīng)驗，將一些具體設(shè)計發(fā)出來，拋磚引玉，還希望能有高手出來指點。大家一起討論，一起提高。每天時間比較少，可能需要一段時間才能寫完。其中的內(nèi)容，主要以電動汽車的BMS為例。

BMS：battery management system電池管理系統(tǒng)是電池與用戶之間的紐帶，主要對象是二次電池。二次電池存在下面的一些缺點，如存儲能量少、壽命短、串并聯(lián)使用問題、使用安全性、電池電量估算困難等。電池的性能是很復(fù)雜的，不同類型的電池特性亦相差很大。電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。-------引自百度百科名片：）

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要涵蓋以下幾個功能

1）電池工作狀態(tài)監(jiān)控：主要指在電池的工作過程中，對電池的電壓，溫度，工作電流，電池電量等一系列電池相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)測或計算，并根據(jù)這些參數(shù)判斷目前電池的狀態(tài)，以進行相應(yīng)的操作，防止電池的過充或過放。

2）電池充放電管理：在電池的充電或放電的過程中，根據(jù)環(huán)境狀態(tài)，電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)對電池的充電或放電進行管理，設(shè)置電池的最佳充電或放電曲線（如充電電流，充電上限電壓值，放電下限電壓值等）

3）單體電池間均衡：即為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件，但目前國內(nèi)在這方面的技術(shù)還不成熟。

注：目前很多電動汽車上都會專門區(qū)分BMS和BBS（BATTERY BALANCE SYSTEM），這很容易讓人產(chǎn)生一種誤解，覺得是兩個各自獨立的部件，實際上是一種從屬關(guān)系。且當(dāng)前國內(nèi)汽車上在充放電管理和均衡器這兩個部分的功能上比較弱，BMS實際上僅僅是進行電量的計算和實現(xiàn)一個過欠壓（組與單體）保護及通信的功能。

電池管理系統(tǒng)主要包括以下幾個部分

1）信號采集模塊：主要用于對電池組電壓，充電電流，放電電流，單體電壓，電池溫度，等參數(shù)進行采集。通常采用隔離處理的方式。（除溫度信號）

2）電池保護電路模塊：通常這部分是采用軟件控制一些外部器件來實現(xiàn)的。如通過信號控制繼電器的通斷來允許或禁止充放電設(shè)備或電池的工作以實現(xiàn)對電池保護。

3）均衡電路模塊：主要用于對電池組單體電壓的采集，并進行單體間的均衡充電使組中各電池達到均衡一致的狀態(tài)。目前主要有主動均衡和被動均衡兩種均衡方式。（實在想不出來還會有第三種么？）也可稱之為無損均衡和有損均衡。

4）下位機模塊：信號處理，控制。通訊。

系統(tǒng)框圖

以下以電動汽車風(fēng)冷電池系統(tǒng)為例，在此處，將整個電源系統(tǒng)和管理系統(tǒng)放在一個系統(tǒng)中進行處理。

目前高壓電動汽車通常采用330V左右的系統(tǒng)，以磷酸鐵鋰電池組為例，大約為110串左右。目前通常采用36800 和26650 單體進行多個并聯(lián)的方式。也有一些采用多個大容量軟包電池進行模組封裝。目前采用鋼殼大容量鋰離子電池的比較少。電池方面我也不是很深入，據(jù)說主要是出于安全方面的考慮。軟包主要是體積小，重量輕。而采用小容量電芯主要是目前技術(shù)較成熟，可靠性高，并且在試產(chǎn)階段成本較低。根據(jù)電動汽車國家補貼標準，全額補貼標準是20KWh，則電池通常采用60Ah。圖就不方便貼了，請大家理解。

個人點評：無論硬封裝還是軟包，目前車上通常都采用單組電池供電模式。作為電動汽車的核心組件，尤其在單體數(shù)目特別多的情況下，若采用單組供電模式，極大降低了整車的可靠性，目前很多高可靠性系統(tǒng)應(yīng)用中多采用兩組電池并聯(lián)輸出的方式，若采用兩組30Ah電池來代替60Ah電池，可大大提高電池組的可靠性，雖然會提高一定的成本，但我相信，可靠性和安全性的提高要遠遠超出這部分額外成本的價值。這樣的話，相信很難發(fā)生因為某一節(jié)單體故障就導(dǎo)致車趴在路上了。赫赫：）。這個可是目前電動汽車經(jīng)常發(fā)生的問題。

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dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:16

（一）信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)主要用于采集以下信號

1 蓄電池組相關(guān)信號：蓄電池組電壓，充電電流，放電電流，蓄電池組溫度信號。

2 蓄電池單體相關(guān)信號：蓄電池單體電壓。

3 外設(shè)設(shè)備狀態(tài)信號：充放電開關(guān)狀態(tài)，風(fēng)機開關(guān)狀態(tài)，高壓電路對地絕緣狀態(tài)，充電口狀態(tài)。

4 其它信號：其它一些車輛上的有關(guān)的狀態(tài)信號。

注：由于人在江湖，不方便將電路原理圖直接貼出來，赫赫。如果有問題，可以發(fā)郵件，大家一起交流。我盡量把框圖做詳細點，基本上都是最基本的電路模塊。

采集電路主要有以下兩種方式。

信號隔離采集：

主要用于電壓信號，電流信號

電路圖如圖2

這里可以把模擬開關(guān)和隔離采樣部分調(diào)換位置，但在信號多的時候，器件會增多。

信號非隔離采樣：

主要用于溫度信號采樣和狀態(tài)量采樣。電路圖如圖3

圖3是狀態(tài)量測量電路，溫度信號采樣電路，可使用橋式檢測法，精度高，但電路復(fù)雜。除非在對溫度響應(yīng)要求非常高的場合下，比如鎳鎘電池，否則不建議使用。通常采用電阻串聯(lián)采樣方式，雖然精度和抗干擾藥差點，但成本低，應(yīng)用很廣泛。：）

其中比較特殊的是充電口狀態(tài)檢測和絕緣狀態(tài)檢測。

充電口狀態(tài)檢測可以參考電動車充電口標準規(guī)范（QC/T 841-2010）,內(nèi)有相關(guān)電路。

在線絕緣檢測目前主要采用橋式檢測法，也有少數(shù)采用母線接地法。母線接地法由于無法檢測對地電容，很容易產(chǎn)生誤報，不建議使用。由于汽車上絕緣檢測要求不高，采用橋式檢測基本能滿足需求。

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:17

@dongjiating

（一）信號采集系統(tǒng) 信號采集系統(tǒng)主要用于采集以下信號1蓄電池組相關(guān)信號：蓄電池組電壓，充電電流，放電電流，蓄電池組溫度信號。2蓄電池單體相關(guān)信號：蓄電池單體電壓。3外設(shè)設(shè)備狀態(tài)信號：充放電開關(guān)狀態(tài)，風(fēng)機開關(guān)狀態(tài)，高壓電路對地絕緣狀態(tài)，充電口狀態(tài)。4其它信號：其它一些車輛上的有關(guān)的狀態(tài)信號。注：由于人在江湖，不方便將電路原理圖直接貼出來，赫赫。如果有問題，可以發(fā)郵件，大家一起交流。我盡量把框圖做詳細點，基本上都是最基本的電路模塊。采集電路主要有以下兩種方式。信號隔離采集：主要用于電壓信號，電流信號電路圖如圖2這里可以把模擬開關(guān)和隔離采樣部分調(diào)換位置，但在信號多的時候，器件會增多。信號非隔離采樣：主要用于溫度信號采樣和狀態(tài)量采樣。電路圖如圖3圖3是狀態(tài)量測量電路，溫度信號采樣電路，可使用橋式檢測法，精度高，但電路復(fù)雜。除非在對溫度響應(yīng)要求非常高的場合下，比如鎳鎘電池，否則不建議使用。通常采用電阻串聯(lián)采樣方式，雖然精度和抗干擾藥差點，但成本低，應(yīng)用很廣泛。：）其中比較特殊的是充電口狀態(tài)檢測和絕緣狀態(tài)檢測。充電口狀態(tài)檢測可以參考電動車充電口標準規(guī)范（QC/T841-2010）,內(nèi)有相關(guān)電路。在線絕緣檢測目前主要采用橋式檢測法，也有少數(shù)采用母線接地法。母線接地法由于無法檢測對地電容，很容易產(chǎn)生誤報，不建議使用。由于汽車上絕緣檢測要求不高，采用橋式檢測基本能滿足需求。

（一）充電調(diào)節(jié)器

電動汽車用充電器主要有兩種，車載充電器和非車載充電器（如充電站等快充設(shè)備），在這里主要是分析車載充電器，對于非車載充電設(shè)備與整車的接口，目前還沒有統(tǒng)一的標準，電接口和機械借口都沒有規(guī)范化，這里就不做詳細的描述了。

針對20KWh電池，車載充電機至少要配置3KW以上功率才可以滿足。這樣才能滿足8~10個小時內(nèi)能保證將電池充滿的要求。

充電機原理框圖如下：

PFC部分目前流行的是交錯BOOST的方式，單路軟開關(guān)應(yīng)用較少，主要是不穩(wěn)定。

主充部分主要是用LLC或者移相全橋的方式，LLC的我沒有做過，我用的是移相全橋的方式，據(jù)說效率要比LLC低上1到2個百分點。

電路都是比較成熟的應(yīng)用，其實車載充電機最主要的難題在于散熱和體積，由于功率密度要求高，散熱就成了最大的問題，應(yīng)用在車上，由于安裝位置的不同，有的地方不方便使用風(fēng)冷的方式，所以盡可能的選擇水冷或者自然冷卻的方式，選擇水冷方式通常需要與整車配合進行控制和調(diào)劑，存在一定局限性。但是水冷方式功率密度最高。自然冷卻最大問題就是散熱。這給設(shè)計帶來很多困難。

具體的充電機電路圖就不貼出來了，比較多，有興趣的可以直接聯(lián)系。

（一）放電調(diào)節(jié)器

實際上就是一個的DC/DC充電模塊，主要是用于給車上12V小電池充電的，輸入就是車上電池組。這個沒有什么好說的。和我們常用的12V鉛酸電池充電器沒有什么區(qū)別，只是增加了一個通信部分和MCU進行通信。

目前有部分廠家將充電器和放電調(diào)節(jié)器放在一起，其實個人覺得這個方案是很好的，在車上應(yīng)用時，這兩個模塊不會同時工作，放在一起的話，可以節(jié)省一個通信模塊，增大體積，有利于散熱。同時充電機本身是帶有一個12V充電模塊的，若將兩者做在一起的話，實際可以將充電機上的這個模塊節(jié)省掉，可以有效降低產(chǎn)品的成本。

當(dāng)然，這個我自己也沒有做過，不過可以畫一個框圖上來：如下

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:17

@dongjiating

（一）均衡電路

這章是重點之一，要好好考慮一下怎么寫，要引用的東西比較多，這個我自己做了試驗板，不過還沒有調(diào)試完。等做完了再補充一些心得。主要引用的還是以前做過的一些均衡方式。

這里主要是根據(jù)我自己的理解來做的介紹，可能部分內(nèi)容不是很準確還請大家見諒。

根據(jù)均衡的時段可以分為充電均衡和放電均衡。在有些場合的應(yīng)用下（通常是DOD不是非常深的情況下），可以不使用放電均衡。由于在電動汽車的應(yīng)用上，通常DOD都要超過80%，為避免單個電池的過放而保護，再充電和放電狀態(tài)下均加入均衡功能。在實際應(yīng)用中，車載電池放電電流要遠遠大于充電電流，放電電流能達到1C，最大甚至能達到3C，要想做這么大電流的均衡會造成均衡器的性價比很低，所以我們選擇的時候按照車輛勻速30KM/H的速度行使時的放電電流來計算均衡電流。在此處我們選擇的均衡電流為3A。大約為10%的放電電流。

根據(jù)均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡，雙向型使用雙向變換器，輸入輸出方向動態(tài)調(diào)整。比較而言，雙向型更具優(yōu)勢，基于均衡效率考慮，單向型均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡。

上圖只是一個框圖，我曾經(jīng)試制過一個組到單體的均衡器，輸出采用多繞組一一對應(yīng)的方式，均衡電流是最大5A，功率回路采用反激的方式，7串均衡，均衡精度50mV，充電均衡。是兩年前和別人一起做的，有些記得不是非常清楚了。主要問題大概有以下幾個：

1 均衡電路輸出紋波要小于20mV，這個我們最后也沒有達到，因為是在電池以30A充電時開啟均衡時測試。我們當(dāng)時紋波好像到了100多mV。

2 整個系統(tǒng)的溫度系數(shù)，雖然在采樣環(huán)節(jié)加入了溫度補償，但在實際應(yīng)用中，隨著溫度變化，均衡精度相差很大。最大大約有幾十mV。

3 均衡轉(zhuǎn)換非常頻繁，往往一個單體尚未均衡完成，就轉(zhuǎn)到另一個，修改軟件

后，在充電完成后，總有一個單體電壓過高。

4轉(zhuǎn)換效率低，其實這個當(dāng)時根本沒有去考慮，因為功能還沒有完成，那還考慮性能阿。不過由于輸出是低壓，所以在功率回路的設(shè)計中還是要考慮這方面問題，以提高轉(zhuǎn)換效率。

由于個人原因，最后這個項目并沒有完成，感覺挺遺憾的，里面有很多問題也沒有深入去發(fā)掘。現(xiàn)在很多資料都找不到了。

最先進的均衡方案是從單體到單體，從高壓單體直接把能量變換到低壓單體，具有最佳的均衡效率，實現(xiàn)難度也較大。按單體容量大小排序 C1>C2>…

>Cn，n 是串聯(lián)單體數(shù)量，平均容量為 Ca=(C1+C2+…Cn)/n,設(shè)第 k 只單體容量最接近平均值，即 Ck=Ca,則均衡系統(tǒng)的目標是從 C1,C2,…,Ck-1 取出能量

Cout=(C1+C2+…+Ck-1)-(k-1)Ca，轉(zhuǎn)移到 Ck+1,Ck+2,…,Cn。考慮到能量變換效率 d，k 值需要適當(dāng)后移。

這個是目前我正在試制的均衡器采樣的方案，均衡電流1A~5A，均衡精度30mV。（因為采用的是磷酸鐵鋰電池，充放電平臺實在太平了：（，30mV實在是沒有把握。）當(dāng)然實際應(yīng)用中不可能同時將C1到Ck-1的容量都通過變換器去給剩余的電池補充充電，實際上我只采用了一個變換器，去均衡10串電池，（可擴容到14串）到后期如果不行的話考慮使用兩個變換器去均衡。

當(dāng)把上述單向和雙向變換器接向組電壓的所有繞組合并為一個繞組后，就得到圖 2所示的集中式變換器，優(yōu)點是變換器成本和技術(shù)復(fù)雜度大幅降低，主要缺點有：低壓繞組到各單體之間的導(dǎo)線長度和形狀不同，變比有差異，均衡誤差大。另一方面，變換器與電池組之間的 n+1條功率導(dǎo)線的布線工藝不容易設(shè)計，車輛行駛過程中對導(dǎo)線的拉伸和剪切給安全帶來隱患。

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:18

@dongjiating

上圖是目前大多數(shù)均衡采用的方式，大家可以作為參考，目前我采用的方案就是借鑒飛渡電容法，只是將電容變?yōu)?/span>DC/DC了。而且使用單體到單體，大大縮短了均衡的時間。等到樣板做出來，測試完后，我會把結(jié)果發(fā)上來大家再討論。下圖是我的均衡電路的框圖

以上所說的都是能量轉(zhuǎn)移的均衡方式。但在小電流均衡（通常在500mA以下）時，采用最多的則是電阻放電法。原理很簡單，通過每串單體上并聯(lián)一個串接的開關(guān)和電阻，一旦某串單體電壓高出均衡閾值，則接通開關(guān)，通過電阻將多余的能量釋放掉。電路簡單。但大電流情況下就不能使用。原理圖如下:

以上敘述的主要是均衡電路的硬件設(shè)計，下面要說的就是均衡電路的軟件設(shè)計。

針對硬件設(shè)計的補充：

上文主要敘述的是單模塊均衡電路的設(shè)計，在實際應(yīng)用中，每個模塊10個單體，共11個模塊，外加一個組模塊，共有12個模塊。MCU選用的是Infineon 的XC888。本身帶有8路10位AD，CAN接口，基本能夠滿足要求了。

首先申明，我本身不是專業(yè)做軟件出身，而且所有的代碼都是自己手寫的，設(shè)計過程也不規(guī)范，還請大家見諒。

軟件部分主要包括以下幾個模塊：

I/O模塊

AD模塊

數(shù)據(jù)處理模塊

均衡控制模塊

CAN 模塊

軟件流程圖如下：

各部分功能如下:

I/O 模塊

主要是對外控制一些外設(shè)和進行選址。主要有均衡電路輸入，輸出單體地址，信號采集地址，功率電路啟動控制，均衡啟動控制，均衡關(guān)閉控制等。

AD模塊

電路中使用XC888 的P2.3作為模擬信號的輸入腳，采用查詢方式進行AD轉(zhuǎn)換。采樣結(jié)果存儲在數(shù)組中，共有10個單體電壓信號，一個組電壓信號，一個均衡電流信號，共12個模擬信號。通過DG406接入XC888。

數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要包括兩個部分，一是AD采樣的數(shù)據(jù)處理，主要是濾波平均。將處理后數(shù)據(jù)最為最終數(shù)據(jù)。我采用的方式就是最簡單的單點連續(xù)采樣在去除5個最高最低后取平均值得方式。各位有什么好的采樣方面的C例程可以發(fā)過來讓我抄襲一下，赫赫。第二部分實際就是保護模塊，主要將各個采樣數(shù)據(jù)與各自對應(yīng)的閾值進行比較，一旦超出閾值范圍，則啟動相應(yīng)的保護措施，以防止電池過充，過放，及均衡電路是否正常工作。

均衡控制模塊

均衡控制模塊是整個的核心模塊。通過對各個單體電壓值進行一系列處理后對電池進行均衡控制。

流程圖如下

遲滯均衡的名字是我自己起的，類似遲滯比較器的作用覺得比較形象而以。

具體差值目前設(shè)置的最大窗口是50mv-70mv。遲滯周期是2個周期。

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:20

@dongjiating

由于均衡控制判據(jù)采用電壓判據(jù)的方式，在實際應(yīng)用中，對于鈷酸鋰的電池效果還不錯，（實際我以前做的都是錳酸鋰類的）但針對磷酸鐵鋰，一方面還沒有做過實際的試驗，再者，根據(jù)鐵鋰的測試數(shù)據(jù)，

鐵鋰放電曲線

鈷酸鋰放電曲線

由上圖可知，鐵鋰的放電平臺較鈷酸鋰的平臺要更加平緩，故這個會導(dǎo)致在鐵鋰電池平臺階段的均衡會非常困難，故均衡主要放在末期，這個就需要更長的均衡時間，所以在電池的放電控制策略上需要做出調(diào)整。（注：充電則相對要好很多，充電末期本身恒壓階段就有充足的時間，而且這個階段充電電流較小，均衡電流相對較大，可以有效快速的均衡。）

CAN模塊：主要是將系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。通信用。

（一）其它外設(shè)

主要外部設(shè)備就是充放電開關(guān)，風(fēng)機控制開關(guān)，充電機斷開開關(guān)，DC/DC斷開開關(guān)，放浪涌控制信號等。一般都通過輸出高低電平信號進行控制。

下面進行一個實例設(shè)計

要求：設(shè)計一個110串，60Ah磷酸鐵鋰電池報的電池管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用風(fēng)冷的方式。放電DOD不大于95%。（暫時不考慮兩組電池，這個涉及到電機控制，我不是很熟悉，所以不好討論）

設(shè)計過程

1 首先，根據(jù)電池特性，電池平臺電壓是3.3V，放電截止電壓為2.8 *110 V,單體保護電壓為2.5V，充電恒壓段電壓為3.7*110V，單體保護電壓是3.8V。

2 根據(jù)負載特性，按照平均放電電流為30A，基本上為60km/h以上的速度了（不同的車情況不一樣），足夠城市狀態(tài)下使用了。充電電流為8A。均衡電流為5A。采用主動均衡的方式。

3 第一步是布局設(shè)計，當(dāng)然這個涉及到不同的車又不同的狀況，不可一概而論，這里僅僅是針對電池管理系統(tǒng)而言，從盡可能有利的布局方式來考慮。

電池為110串，共分成10個模組，每個模組11個單體，每塊單體配備一塊單體均衡板，整包配置一塊模組均衡板。布置圖如下。

圖12 電池包均衡器布置圖

其中，各個模組的均衡板越靠近電池模組越好，一方面降低了傳輸線路上寄生參數(shù)所導(dǎo)致的干擾，其次減少了傳輸線路上的損耗。可借鑒收集電池或筆記本電池上的保護板安裝方式。而模組之間的均衡板(母板)則安裝在公共機箱內(nèi)，這樣有利于散熱。

公共機箱內(nèi)主要安裝模組間的均衡板，MCU，信號采集系統(tǒng)（除單體電壓和溫度信號，這些信號在均衡板上采集）及一些外設(shè)（如充放電繼電器，防浪涌開關(guān)等）。

公共機箱一般是貼近電池安裝，有利于減少干擾。

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:21

@dongjiating

第二步電路設(shè)計

均衡板硬件電路設(shè)計：

主功率回路采用反激拓撲輸入2.7~4.2V,輸出2.7~4.2V，電流0~5A的DC/DC電路。工作電源通過模組電壓變換后得到。

11路單體電壓信號+1路組電壓信號+1路均衡電流信號采用光耦隔離采樣，11路溫度信號采用電阻分壓采樣。

控制芯片使用Infineon公司的XC888（8位單片機，10位AD）。

MCU及外圍電路原理圖如下

采樣電路原理圖如下（本圖針對的是10串單體）

單體選擇開關(guān)及外圍電路原理圖如下

主功率電路原理圖

供電電源原理圖

以上是11串（圖中為10串）一個模組所配對的均衡器（子板）

另需要一個模組間均衡用的均衡板，也稱為母板

與子板不同之處：主功率回路的輸入和輸出改為輸入 29.7~46.2V，輸出29.7~46.2V，電流0~5A，拓撲換為雙管正激或半橋（本人選擇的是半橋，好像有點浪費啊，赫赫）。供電則使用外接12V電源供電。

其余部分與子板一樣。

至此，均衡部分硬件電路設(shè)計完畢

BMS主控板設(shè)計，MCU選用的是MC9S12.

主要還是描述一下一些設(shè)計的基礎(chǔ)，由于均衡板設(shè)計已經(jīng)完成，整個系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，各均衡子板及母板將溫度信號，單體電壓信號，模組電壓信號通過CAN總線傳輸至主控板，主控板主要功能：

1 熱控系統(tǒng)

主要是進行電池的散熱。系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式，具體的風(fēng)道，風(fēng)扇之類有專人設(shè)計。使用可調(diào)速風(fēng)扇。BMS只負責(zé)進行啟動和關(guān)閉控制。

控制策略如下圖

2 電池保護系統(tǒng)

主要預(yù)防電池單體過壓欠壓保護，單點過溫保護，組過壓欠壓保護，組過電流保護，絕緣檢測，12V小電池檢測及保護。

電壓及電流的保護均通過數(shù)據(jù)采集處理后和保護點閾值比較。

通常情況下：

過壓采用雙閾值保護，低閾值一般報警，不影響正常工作，但將報警上報，需處理。高閾值嚴重報警，直接斷開功率回路，并不可恢復(fù)。

過流采用單閾值保護，直接斷開功率回路，恢復(fù)后，連續(xù)產(chǎn)生3次后，斷開后不再恢復(fù)。

單點過溫采用窗口保護方式，斷開電池功率回路后，單點恢復(fù)到可啟動值后恢復(fù)正常工作。

絕緣檢測目前使用的是橋式采樣法，采用雙閾值保護法，低閾值一般報警，不影響正常工作，高閾值斷開功率回路，且不可恢復(fù)。

12V小電池檢測采用不間斷檢測法，使用純硬件檢測，一旦低于閾值，直接報警。

回復(fù)

dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:22

@dongjiating

3 充電控制系統(tǒng)

鋰離子電池充電控制一般都是通過充電機自主控制的方式，BMS通過CAN發(fā)送充電曲線，但由于種種原因，目前電池的充電曲線中并未加入溫度因素，充電曲線通常根據(jù)預(yù)先設(shè)定值給出，并沒有發(fā)揮出其優(yōu)勢。僅給出恒壓點3.7*110V,恒流值8A，截止電流0.35A，輸入電壓保護值220V+15%,220V-15%,輸入電流限流值16A，充電機限溫值（殼體溫度）65攝氏度。充電機具備恒壓，限流，輸入電流跟隨，溫度跟隨，防反接，輸入輸出保護等功能。

充電機的設(shè)計在上文已經(jīng)敘述過了，這里就不再重復(fù)了。當(dāng)然了，理想化的設(shè)計是在充電控制中加入電池壽命和環(huán)境溫度的制約因素。當(dāng)然這個就比較多了，目前也沒有成熟的數(shù)據(jù)或者例子可以參考。這個需要電池方面做出大量的試驗及能夠提供準確的數(shù)據(jù)。

4 放電控制系統(tǒng)

放電控制系統(tǒng)并不是針對DC-DC所做出的一些控制，１２Ｖ小電池主要由ＤＣ－ＤＣ自主監(jiān)控，并外加一個硬件監(jiān)控電路。放電控制系統(tǒng)主要針對電池在放電過程中根據(jù)電池的剩余ＳＯＣ及電池組和單體的電壓狀況，電池組溫度狀況來調(diào)節(jié)電池的放電狀態(tài)。（若能夠從電池方面得到一個Ｖ－Ｔ的曲線會更有利于保護設(shè)計）

通常根據(jù)溫度，電池狀態(tài)，剩余容量來設(shè)置放電狀態(tài)。

在本設(shè)計中，采用以下的控制策略,見下圖

在本設(shè)計中，因試驗數(shù)據(jù)不足，并未加入電池壽命的影響因素，在電池壽命末期，會對使用有一定影響。

5 　SOC計算

對于目前對ＳＯＣ計算網(wǎng)上的討論很多，有很多種方法，但實際上我個人認為，本身對電池的保護，使用電壓參考相對ＳＯＣ參考來說，要容易實現(xiàn)的多，畢竟使用電壓參考，只需要引入環(huán)境溫度，電池壽命狀態(tài)（循環(huán)次數(shù)）這兩個變量，再輔以ＳＯＣ和放電電流即可，而使用ＳＯＣ，涉及到環(huán)境溫度，電池壽命，放電電流，充放電效率，電池壽命狀態(tài)（循環(huán)次數(shù)），ＳＯＣ修正，初始ＳＯＣ修正等很多因素。當(dāng)然，使用電壓參考很難準確的去判斷續(xù)航里程等車輛狀態(tài)，所以在本設(shè)計中，最終判據(jù)通常是根據(jù)電壓和環(huán)境溫度來作為電池保護依據(jù)，輔以ＳＯＣ，當(dāng)然這個是個人的設(shè)計思想，未必準確。

本設(shè)計中，ＳＯＣ計算使用安時積分法，通過每次充電來修正ＳＯＣ，設(shè)置為標稱容量。當(dāng)然這種方法的ＳＯＣ在壽命中期和后期誤差會非常大。

計劃將來修改方法：除初次使用采用充電來修正ＳＯＣ，設(shè)置為標稱容量，再后續(xù)使用中，通過電壓和溫度來修正ＳＯＣ，這種方法準確率不知如何，要等待后續(xù)試驗來驗證。

6 代碼整合

基本按照上述的模塊和流程圖進行代碼編寫。然后再結(jié)合一些底層如CAN數(shù)據(jù)收發(fā)，AD，I/O口（通常這些可以通過軟件自動生成）。需要自己去完成的主要是SOC計算，和充放電管理這塊。具體的程序代碼在這里就不贅述了。

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dongjiating

LV.3

2011-11-08 10:24

@dongjiating

7設(shè)計總結(jié)

在本設(shè)計中采用的是分-總式設(shè)計，其中MCU借鑒的是幾年前別人設(shè)計的，所以芯片也沒有改，在后續(xù)改進中會去做一些修改，盡量使用一家公司的芯片。在均衡器的設(shè)計中采用了分布式系統(tǒng)，11個子系統(tǒng)各自獨立管理，母板又可以將各個子板之間均衡一致，但不參與10塊子板之間的管理，這11個子系統(tǒng)進行均衡處理和電池狀態(tài)檢測，判斷，但不作任何處理，只將檢測結(jié)果上報主控板，由主控板統(tǒng)一處理。主控板根據(jù)各子系統(tǒng)的檢測結(jié)果進行相應(yīng)處理，同時對電池的充放電進行管理。

好了，基本的ＢＭＳ的設(shè)計就完成了，車上用的還會有一些額外的要求，比如充電口接入信號，ＫＥＹ啟動信號等，這個都可以按照要求加入進來就可以了。

當(dāng)然了，上述的都是一些基本設(shè)計，不過應(yīng)該可以大致的了解ＢＭＳ的一些基本功能和作用了。具體設(shè)計時還會有些具體的要求。如果大家有興趣可以發(fā)郵件給我，大家一起討論。

帖子中圖無法插入,大家可以下載附件,附件為完整的文件.

電池管理系統(tǒng)設(shè)計簡述

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電源網(wǎng)-源源

LV.10

2011-11-16 15:24

@dongjiating

上圖是目前大多數(shù)均衡采用的方式，大家可以作為參考，目前我采用的方案就是借鑒飛渡電容法，只是將電容變?yōu)镈C/DC了。而且使用單體到單體，大大縮短了均衡的時間。等到樣板做出來，測試完后，我會把結(jié)果發(fā)上來大家再討論。下圖是我的均衡電路的框圖以上所說的都是能量轉(zhuǎn)移的均衡方式。但在小電流均衡（通常在500mA以下）時，采用最多的則是電阻放電法。原理很簡單，通過每串單體上并聯(lián)一個串接的開關(guān)和電阻，一旦某串單體電壓高出均衡閾值，則接通開關(guān)，通過電阻將多余的能量釋放掉。電路簡單。但大電流情況下就不能使用。原理圖如下:以上敘述的主要是均衡電路的硬件設(shè)計，下面要說的就是均衡電路的軟件設(shè)計。針對硬件設(shè)計的補充：上文主要敘述的是單模塊均衡電路的設(shè)計，在實際應(yīng)用中，每個模塊10個單體，共11個模塊，外加一個組模塊，共有12個模塊。MCU選用的是Infineon的XC888。本身帶有8路10位AD，CAN接口，基本能夠滿足要求了。首先申明，我本身不是專業(yè)做軟件出身，而且所有的代碼都是自己手寫的，設(shè)計過程也不規(guī)范，還請大家見諒。軟件部分主要包括以下幾個模塊：I/O模塊 AD模塊數(shù)據(jù)處理模塊均衡控制模塊 CAN模塊軟件流程圖如下：各部分功能如下:I/O模塊主要是對外控制一些外設(shè)和進行選址。主要有均衡電路輸入，輸出單體地址，信號采集地址，功率電路啟動控制，均衡啟動控制，均衡關(guān)閉控制等。 AD模塊電路中使用XC888的P2.3作為模擬信號的輸入腳，采用查詢方式進行AD轉(zhuǎn)換。采樣結(jié)果存儲在數(shù)組中，共有10個單體電壓信號，一個組電壓信號，一個均衡電流信號，共12個模擬信號。通過DG406接入XC888。數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊主要包括兩個部分，一是AD采樣的數(shù)據(jù)處理，主要是濾波平均。將處理后數(shù)據(jù)最為最終數(shù)據(jù)。我采用的方式就是最簡單的單點連續(xù)采樣在去除5個最高最低后取平均值得方式。各位有什么好的采樣方面的C例程可以發(fā)過來讓我抄襲一下，赫赫。第二部分實際就是保護模塊，主要將各個采樣數(shù)據(jù)與各自對應(yīng)的閾值進行比較，一旦超出閾值范圍，則啟動相應(yīng)的保護措施，以防止電池過充，過放，及均衡電路是否正常工作。均衡控制模塊均衡控制模塊是整個的核心模塊。通過對各個單體電壓值進行一系列處理后對電池進行均衡控制。流程圖如下遲滯均衡的名字是我自己起的，類似遲滯比較器的作用覺得比較形象而以。具體差值目前設(shè)置的最大窗口是50mv-70mv。遲滯周期是2個周期。

好帖子

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dongjiating

LV.3

2011-11-21 15:58

@dongjiating

7設(shè)計總結(jié) 在本設(shè)計中采用的是分-總式設(shè)計，其中MCU借鑒的是幾年前別人設(shè)計的，所以芯片也沒有改，在后續(xù)改進中會去做一些修改，盡量使用一家公司的芯片。在均衡器的設(shè)計中采用了分布式系統(tǒng)，11個子系統(tǒng)各自獨立管理，母板又可以將各個子板之間均衡一致，但不參與10塊子板之間的管理，這11個子系統(tǒng)進行均衡處理和電池狀態(tài)檢測，判斷，但不作任何處理，只將檢測結(jié)果上報主控板，由主控板統(tǒng)一處理。主控板根據(jù)各子系統(tǒng)的檢測結(jié)果進行相應(yīng)處理，同時對電池的充放電進行管理。好了，基本的ＢＭＳ的設(shè)計就完成了，車上用的還會有一些額外的要求，比如充電口接入信號，ＫＥＹ啟動信號等，這個都可以按照要求加入進來就可以了。當(dāng)然了，上述的都是一些基本設(shè)計，不過應(yīng)該可以大致的了解ＢＭＳ的一些基本功能和作用了。具體設(shè)計時還會有些具體的要求。如果大家有興趣可以發(fā)郵件給我，大家一起討論。帖子中圖無法插入,大家可以下載附件,附件為完整的文件.[圖片]電池管理系統(tǒng)設(shè)計簡述

沒有人做這個方向的么

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zcyzvs

LV.3

2011-11-21 17:04

@dongjiating

沒有人做這個方向的么

我要做這個方向，我現(xiàn)在在搞動力電池充電，馬上要搞BMS，我給你寫過郵件的大師。

大師有空繼續(xù)寫點唄

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ocell

LV.2

2011-11-22 13:56

@dongjiating

呵呵…… 帖子寫得非常好！給你發(fā)郵件了……

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anjing197

LV.1

2011-11-22 22:27

@dongjiating

沒有人做這個方向的么

樓主好貼。

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qinzutaim

2011-11-23 08:47

@dongjiating

沒有人做這個方向的么

MARK 個。

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電源網(wǎng)-網(wǎng)兒

LV.5

2011-11-23 09:25

加油加油！

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dongjiating

LV.3

2011-11-24 15:39

赫赫最近剛好板子回來了在焊板子,不過這兩天電腦被拿走了,明天寫個做項目的經(jīng)驗吧.胡亂說的,到時候大家捧場阿

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電源網(wǎng)-源源

LV.10

2011-11-24 15:51

@dongjiating

赫赫最近剛好板子回來了在焊板子,不過這兩天電腦被拿走了,明天寫個做項目的經(jīng)驗吧.胡亂說的,到時候大家捧場阿

好帖子頂起來

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甜之信

LV.1

2011-11-30 20:22

@dongjiating

樓主寫的太好啦，我剛剛開始做這個方向，初來乍到，多多指教

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maxiaohu

LV.4

2011-11-30 21:07

@dongjiating

第二步電路設(shè)計均衡板硬件電路設(shè)計：主功率回路采用反激拓撲輸入2.7~4.2V,輸出2.7~4.2V，電流0~5A的DC/DC電路。工作電源通過模組電壓變換后得到。11路單體電壓信號+1路組電壓信號+1路均衡電流信號采用光耦隔離采樣，11路溫度信號采用電阻分壓采樣。控制芯片使用Infineon公司的XC888（8位單片機，10位AD）。 MCU及外圍電路原理圖如下采樣電路原理圖如下（本圖針對的是10串單體）單體選擇開關(guān)及外圍電路原理圖如下主功率電路原理圖供電電源原理圖以上是11串（圖中為10串）一個模組所配對的均衡器（子板）另需要一個模組間均衡用的均衡板，也稱為母板與子板不同之處：主功率回路的輸入和輸出改為輸入29.7~46.2V，輸出29.7~46.2V，電流0~5A，拓撲換為雙管正激或半橋（本人選擇的是半橋，好像有點浪費啊，赫赫）。供電則使用外接12V電源供電。其余部分與子板一樣。至此，均衡部分硬件電路設(shè)計完畢BMS主控板設(shè)計，MCU選用的是MC9S12. 主要還是描述一下一些設(shè)計的基礎(chǔ)，由于均衡板設(shè)計已經(jīng)完成，整個系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，各均衡子板及母板將溫度信號，單體電壓信號，模組電壓信號通過CAN總線傳輸至主控板，主控板主要功能：1熱控系統(tǒng) 主要是進行電池的散熱。系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式，具體的風(fēng)道，風(fēng)扇之類有專人設(shè)計。使用可調(diào)速風(fēng)扇。BMS只負責(zé)進行啟動和關(guān)閉控制。控制策略如下圖2電池保護系統(tǒng)主要預(yù)防電池單體過壓欠壓保護，單點過溫保護，組過壓欠壓保護，組過電流保護，絕緣檢測，12V小電池檢測及保護。電壓及電流的保護均通過數(shù)據(jù)采集處理后和保護點閾值比較。通常情況下：過壓采用雙閾值保護，低閾值一般報警，不影響正常工作，但將報警上報，需處理。高閾值嚴重報警，直接斷開功率回路，并不可恢復(fù)。過流采用單閾值保護，直接斷開功率回路，恢復(fù)后，連續(xù)產(chǎn)生3次后，斷開后不再恢復(fù)。單點過溫采用窗口保護方式，斷開電池功率回路后，單點恢復(fù)到可啟動值后恢復(fù)正常工作。絕緣檢測目前使用的是橋式采樣法，采用雙閾值保護法，低閾值一般報警，不影響正常工作，高閾值斷開功率回路，且不可恢復(fù)。12V小電池檢測采用不間斷檢測法，使用純硬件檢測，一旦低于閾值，直接報警。

頂起，寫的太好了

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