一種新型BMS設計

楊德申

摘 要：BMS是連接動力電池組和電動汽車、儲能等工具或設備的重要紐帶，功能要求BMS應具備數據采集、電芯均衡、保護與告警、通信、充放電控制、數據存儲等功能。為一套保護動力電池使用安全的控制系統，時刻監控電池的使用狀態，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源車輛、儲能等工具或設備使用安全提供保障。

關鍵詞：BMS;智能電網;鋰電池;低功耗;新能源

術語：

1）PCS（Power Covert System）：能量轉換系統，即換流器，是進行逆變和整流的雙向換流系統。

2）SOC（State Of Capacity）：電池剩余容量狀態，用百分率表示。

3）SOH（State Of Health）：電池組健康度狀態，用百分率表示。

4）BMS（Battery Management System）：電池管理系統，負責儲能。

一、緒論

能源危機和環境污染已然成為影響社會發展的兩大難題.在世界各國人民不斷呼吁“低碳生活”的背景下，新能源開始占據著越來越重要的地位，鋰電池作為可替代載體，得到了空前的發展。BMS是連接動力電池組和電動汽車、儲能等工具或設備的重要紐帶。當前應用環境要求BMS傳輸速度要求越來越快，輸入輸出口增多，傳統的BMS冗余架構，使得數據轉發次數增多，數據的實時性降低。基于當前的現狀，作者提出了新的BMS架構和設計理念。提高BMS系統在現代儲能系統的適應性。

二、硬件設計

新型的BMS要具有以下特點：

（1）大量的輸入輸出IO。

（2）支持多樣的通訊接口，485、CAN和TCP等。

（3）大容量的存儲空間，方便歷史數據和參數的存儲。

（4）處理速度快。

（5）要有大的顯示屏，實現人機交互功能。

（6）多重硬件的保護機制。

基于以上要求，BMS主控選擇STM32F407，從控選擇STM32F107。

三、軟件設計

（一）BMS工作原理

系統上電后，BMS先初始化，然后給PACK上電，BMS主控開始輪詢PACK板數據，PACK將電池包的電芯電壓、溫度、均衡和狀態信息上傳給主控。主控采集霍爾傳感器的電流數據和絕緣模塊的絕緣阻值，然后主控根據采集的數據，分析電池的狀態，計算SOC和SOH，根據數據采集值和告警閾值比較，更新系統告警狀態，根據告警的狀態，控制系統的充電、放電和均衡，同時周期性或者事件觸發歷史記錄，實時更新顯示屏數據，響應來自并機和上位機的查詢和控制命令。

（二）BMS主控功能框圖

BMS軟件設計包括狀態檢測、狀態分析、安全保護、能量控制管理和信息管理五大模塊。

狀態檢測模塊分為電芯電壓、電流、絕緣阻值和溫度檢測。

狀態分析模塊分為SOC和SOH計算。

安全保護模塊分為電壓、電流、溫度和絕緣檢測保護功能。

能量控制分為充電、放電和均衡控制。

信息管理模塊分為電池信息的顯示、系統信息交互、歷史記錄和并機數據管理。

1.軟件功能說明

BMS最基本功能就是測量電池單體的電壓，溫度和充放電電流，這是BMS頂層計算、控制邏輯的基礎。

（1）單體電壓測量和電壓監控。單體電芯電壓，對于BMS有幾種作用，首先，是可以用來計算整個電池組電壓，二是可以根據單體電壓壓差來判斷單體差異性，三是可以用來檢測單體的運行狀態。

（2）電芯溫度。溫度對電池的參數有著很重要的作用，BMS在設計溫度傳感器的放置點，以及放置多少溫度點和最后采集得到的溫度點體現了電池包的運行情況。也是電池組加熱和散熱控制的重要依據。

（3）電流測量。電流測量手段主要是霍爾電流傳感器。由于電池系統需要處理的電流數值往往瞬時很大，因此評估測量電池包的輸出電流（放電）和輸入電流（充電）的量程及精度也很重要。電流是引起單體溫度變化的主要原因;電流變化的時候也會引起電壓的變化，與時間一起，這三項是核算電池狀態的必備元素。

（4）絕緣電阻檢測。BMS內，一般需要對整個電池系統和高壓系統進行絕緣檢測，比較簡單的是依靠電橋來測量總線正極和負極對地線的絕緣電阻。現在用的較多的是主動信號注入，主要是可以檢測電池單體對系統的絕緣電阻。

（5）SOC的算法。電池系統中最核心也是最難的一部分就是SOC的估算。SOC估算常見的有安時積分法（SOCI），和開路電壓標定法（SOCV）。安時積分最大的問題是隨著時間的推移誤差會越來越大;開路電壓標定法的問題是電池需要在靜置很長時間后的開路電壓對應的SOC才是準確的，電池組在充放電過程中采集的電壓用來標定SOC是不準確的。

2.軟件設計注意事項

（1）抗干擾性。①對冗余信號的過濾。事件的觸發條件必須連續的、真實的，這樣就要求在做軟件時，數據采集要加濾波;告警狀態更新要有延時確認，但也不能失去實時性，例如絕緣故障，響應要求準確和快速。所以在軟件設計時，要掌握這個度。

②強大的容錯機制。系統不能因為某次出錯或者故障而停止工作，軟件設計時，要建立強大的錯誤處理機制，應統計錯誤，嘗試恢復。

（2）靈活性。由于BMS系統應用環境的復雜性和多樣性，所以在軟件設計上，要足夠靈活，增加大量的配置項。

四、系統設計

（1）BMS系統最主要作用就是保護鋰電池組的安全運行，延長電池組的使用壽命。所以在系統設計之初就要有多重的保護的機制，現在最流行的策略是三重保護機制。一級保護由EMS控制降功率，延長電池組的充放電時間;二級保護由PCS停止充放電;三級保護BMS斷開動力回路。

（2）而為了安全起見，應該考慮到在BMS軟件失效的情況下，其他措施保障系統安全。首先，增加硬件保護，軟件失效時，硬件保護也能保障系統安全。

五、結語

目前，能源消耗備受國家關注，人們在不斷尋求可再生的綠色能源代替傳統的一次性能源。鋰電池在充電和使用過程中無污染，必將成為能源發展的首要趨勢。BMS是新能源汽車和儲能方面必備的重要零部件！可以說，電池管系統的發展必將帶來新能源產業的巨大改變。

參考文獻：

[1]任哲，等.嵌入式實時操作系統 μC/OS-II原理及應用.北京：北京航天航空大學出版社，2009.

[2]宮學庚，齊鉑金，劉有兵，等.電動汽車動力電池模型和342估算策略[J].電源技術，2004，28（10）：633.