BMS技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

雷鋼 陳俊民 趙宏陽

摘 要：BMS電源系統(tǒng)是電氣汽車核心技術(shù)之一，討論以STM32F103C8T為主控芯片、BQ76940為電池管理芯片的BMS系統(tǒng)，由BQ76940芯片進(jìn)行電壓值、電流值、內(nèi)阻、溫度等電源信息的采集，傳輸至主控芯片STM32F103C8T6中，采用的算法是卡爾曼濾波算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到現(xiàn)數(shù)據(jù)池中和秤值相比較最后發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)給串口。采樣芯片和主控芯片分開工作互不影響，提高了SOC估算精度，降低了出錯(cuò)幾率。

關(guān)鍵詞：BMS;SOC;卡爾曼濾波算法

電動(dòng)汽車整機(jī)由電池、電機(jī)、BMS電源管理系統(tǒng)等三個(gè)核心技術(shù)組成，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)均衡、智能充放電的主控，起到安全保護(hù)、延長電源的壽命、估算剩余電源電量、檢測(cè)電源的溫度、以及工作狀態(tài)是否正常等重要功能，新能源汽車電源系統(tǒng)中必不可缺的重要部分，通過BMS系統(tǒng)的一系列的管理和控制，以保障電動(dòng)汽車在使用中的正常運(yùn)行，增加使用者的安全系數(shù)。BMS電源管理系統(tǒng)核心技術(shù)國內(nèi)外許多新能源汽車企業(yè)都是將電池管理系統(tǒng)（BMS）作為企業(yè)最核心的技術(shù)來看待，在2008年-2015年期間特斯拉所申請(qǐng)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)大都與電池管理系統(tǒng)相關(guān)，由此可見電池管理系統(tǒng)對(duì)于新能源汽車的重要性無可取代?？梢哉f誰掌握了BMS電源管理系統(tǒng)的技術(shù)核心，誰就能搶先占領(lǐng)新能源汽車的市場(chǎng)，在我國許多汽車品牌的行業(yè)也在研究BMS電源管理系統(tǒng)比如“寶駿”“比亞迪”“帝豪”“北汽威旺”可見市場(chǎng)的可挖掘性。從現(xiàn)狀就可以看出來，未來的BMS必將占領(lǐng)汽車市場(chǎng)的一大片領(lǐng)域，不管是從社會(huì)環(huán)境、實(shí)用性，還是各方面EMS都終將是發(fā)展的方向。但是BMS也有挑戰(zhàn)的方面，對(duì)于電池系統(tǒng)的管理安全方面是一個(gè)非常大的問題。在國家大力提倡大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的大背景下，高校積極開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，提出了BMS電源管理系統(tǒng)研究項(xiàng)目，獲得了校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)。

1 BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BMS電源管理系統(tǒng)，是作為汽車電源系統(tǒng)與用戶之間的相互交流信息的“介質(zhì)”，它主要是為了保護(hù)電源，提高電源的安全性和高效率，防止電源發(fā)生過分充電或者是過分放電的情況發(fā)生，對(duì)汽車電源的使用壽命起到延長的作用。

BMS系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)功能：

（1）電源工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控：這個(gè)功能主要是對(duì)電池工作過程中對(duì)電源的電壓溫度工作電流和電池的，剩余，電量等一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或者是相應(yīng)的計(jì)算，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷電池的狀態(tài)做出相應(yīng)的反應(yīng)，這個(gè)功能主要是提電池的安全性，防止充電時(shí)過充，或者是工作狀態(tài)下過放。

（2）短路保護(hù)：短路保護(hù)主要是對(duì)電源在工作狀態(tài)下出現(xiàn)了幾種情況進(jìn)行及時(shí)的切斷電路，或者是跳閘。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下有很多的不穩(wěn)定因素，這些因素有可能導(dǎo)致電源兩端電壓增大或者是過濾紅出現(xiàn)短路的情況等等，這時(shí)候就需要短路保護(hù)，做出相應(yīng)的反應(yīng)，以防止過大的損失或者發(fā)生危險(xiǎn)。

（3）電源充放電保護(hù)：當(dāng)電源電量，使用完的時(shí)候你就需要充電，這時(shí)候你充電不可能時(shí)時(shí)都在電源旁邊看著你就需要有一個(gè)自動(dòng)看管充電的裝置來替代你看管電源，當(dāng)電源充滿電時(shí)需要自動(dòng)跳開，當(dāng)電源電量即將用到低于限定電壓時(shí)，自動(dòng)提醒并斷路來保護(hù)電源，防止受損。

（4）溫度檢測(cè)：在日常生活中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電池在冬天時(shí)候沒有夏天耐用。這就是因?yàn)闇囟葘?duì)電池內(nèi)部存儲(chǔ)電荷量的影響，當(dāng)溫度低時(shí)，充電慢存儲(chǔ)，電荷量少，而且容易發(fā)生一些事故。例如電壓，供不上電流不夠，或者說出現(xiàn)暫時(shí)性的沒有電壓沒有電流。這時(shí)候就需要溫度檢測(cè)，然后對(duì)電源進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的檢測(cè)數(shù)據(jù)集中后進(jìn)行運(yùn)算做出相應(yīng)的動(dòng)作。例如，夏天時(shí)候溫度高在行駛過程中電源可能會(huì)發(fā)熱，這時(shí)候就需要檢測(cè)到高溫情況下，系統(tǒng)立馬做出反應(yīng)，降低電源溫度，保證電源的安全。

BMS電源管理系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)模塊：

（1）電源電路保護(hù)模塊：任何系統(tǒng)的安全性都要放在第一位，這是最為重要的一個(gè)模塊。這個(gè)模塊通常是采用軟件控制和一些外部器件來實(shí)現(xiàn)的，例如通過信號(hào)控制，繼電器或者是mos管來通斷電路，實(shí)現(xiàn)短路的保護(hù)。

（2）信號(hào)采集模塊：這部分主要是由各類傳感器對(duì)電源進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，然后反饋到處理芯片生成數(shù)據(jù)群進(jìn)行運(yùn)算供給主系統(tǒng)進(jìn)行判斷，然后做出相應(yīng)的動(dòng)作。他測(cè)量的主要數(shù)據(jù)是電池組的電壓充電時(shí)的電流放電時(shí)的電流運(yùn)行時(shí)的電壓溫度等，參數(shù)通常采用的處理方式是隔離處理。

（3）均衡電路模塊：這個(gè)模塊主要是對(duì)電源組單體電壓的采集，并進(jìn)行單期間的均衡充電是電源類的電池達(dá)到均衡統(tǒng)一的狀態(tài)，現(xiàn)在有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡那兩種方式，這兩種方式也可稱之為無損。

（4）下位機(jī)模塊：下位機(jī)模塊主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理控制，然后進(jìn)行主控板和外部的器件間的通訊。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理SOC的運(yùn)算方法采用的是卡爾曼濾波算法，運(yùn)算框圖1所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算流程如上所示，信號(hào)由信號(hào)采集系統(tǒng)采集，然后進(jìn)行篩選合格的信號(hào)傳送儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)池MCU進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完的數(shù)據(jù)和開始設(shè)定的數(shù)據(jù)相對(duì)比做出相應(yīng)的反映信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的外設(shè)端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)用。當(dāng)然這只是數(shù)據(jù)和模塊之間的數(shù)據(jù)處理，程序的編寫也和這有很大的關(guān)聯(lián)。

2 主控芯片的選擇

采用的主控芯片型號(hào)是STM32F103C8T6，選擇這個(gè)芯片的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）高達(dá) 72Mhz 工作頻率，COS運(yùn)算需要高頻的工作頻率，這樣才能運(yùn)算的過來。

（2）54K 字節(jié)的 Flash 閃存程序存儲(chǔ)器，因?yàn)槌绦驙可娴降耐獠慷丝诤芏?，寫的程序需要有大的閃存地方才能夠下載。

（3）多達(dá) 64K 字節(jié)的 SRAM。

（4）支持調(diào)試（SWD）和 JTAG 接口調(diào)試，SOC估算需要使用在線調(diào)試，這樣會(huì)給我們節(jié)省非常多的時(shí)間讓我們更容易對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)試。

綜合對(duì)比，選定了STM32F103C8T6，性能和功能跟得上，價(jià)格適宜。

電池管理芯片為BQ76940，它可以同時(shí)最多監(jiān)控15串電池，支出多達(dá) 3 路溫度檢測(cè)，保護(hù)功能包括：放電過流、短路、單體過壓、欠壓。純數(shù)字 IIC 接口（循環(huán)冗余校驗(yàn) CRC）3.3V或2.5V 穩(wěn)壓器輸出。另外兩個(gè)模塊的芯片為，串口芯片 MAX485， CAN 芯片 SN65HV230。

3 程序設(shè)計(jì)與算法

采用模塊化編程方法，程序流程圖如圖2所示。模塊化運(yùn)行程序特點(diǎn)：

（1）使用誰調(diào)用誰，能夠節(jié)省大量的運(yùn)行內(nèi)存，提高CPU的使用效率，減少芯片的發(fā)熱情況變相的延長芯片的壽命。

（2）使用編程語言里邊的選擇語言分模塊的地進(jìn)行編程，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行編號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)主程序和模塊程序相互配合的運(yùn)行，這樣就會(huì)極大的提高CPU效率的利用率。

（3）分模塊寫的每個(gè)模塊都有不同的編號(hào)，方便調(diào)試能夠快速找出問題模塊，極大的提高你的編程速度和效率。

4 仿真運(yùn)行

采用美國MathWorks公司生產(chǎn)的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB進(jìn)行仿真運(yùn)行。MATLAB是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互環(huán)境，Simulink模塊是MATLAB中的可視化仿真工具，是基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包。它廣泛用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制和數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真。Simulink為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析提供了一個(gè)集成環(huán)境。在這種環(huán)境下，不需要編寫大量的程序，只需要簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作就可以構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

基于STM32F103C8T的BMS電源管理系統(tǒng)能夠完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)均衡、智能充放電的主控，起到安全保護(hù)、延長電源的壽命、估算剩余電源電量、檢測(cè)電源的溫度、以及工作狀態(tài)是否正常等重要功能，新能源汽車電源系統(tǒng)中必不可缺的重要部分， 其管理和控制功能，保障了電動(dòng)汽車在使用中的正常運(yùn)行，增加使用者的安全系數(shù)。同時(shí)，通過本次創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，使得項(xiàng)目組成員對(duì)BMS技術(shù)有了一個(gè)更全面和深刻的認(rèn)識(shí)，完成了一次技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐。

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（項(xiàng)目來源：鄭州工程技術(shù)學(xué)院 2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃 項(xiàng)目編號(hào)：202011068032，項(xiàng)目名稱：基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的電源管理系統(tǒng)研究）

作者簡(jiǎn)介：雷鋼（1979-），男，河南鄭州人，碩士，副教授，主要研究方向：電子與通信工程。