BMS技術在創新實踐教學中的應用

雷鋼 陳俊民 趙宏陽

摘 要：BMS電源系統是電氣汽車核心技術之一，討論以STM32F103C8T為主控芯片、BQ76940為電池管理芯片的BMS系統，由BQ76940芯片進行電壓值、電流值、內阻、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行運算，運算完后的數據儲存到現數據池中和秤值相比較最后發出相應的動作信號給串口。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，降低了出錯幾率。

關鍵詞：BMS;SOC;卡爾曼濾波算法

電動汽車整機由電池、電機、BMS電源管理系統等三個核心技術組成，電池管理系統（BMS）作為實時監控、自動均衡、智能充放電的主控，起到安全保護、延長電源的壽命、估算剩余電源電量、檢測電源的溫度、以及工作狀態是否正常等重要功能，新能源汽車電源系統中必不可缺的重要部分，通過BMS系統的一系列的管理和控制，以保障電動汽車在使用中的正常運行，增加使用者的安全系數。BMS電源管理系統核心技術國內外許多新能源汽車企業都是將電池管理系統（BMS）作為企業最核心的技術來看待，在2008年-2015年期間特斯拉所申請的核心知識產權大都與電池管理系統相關，由此可見電池管理系統對于新能源汽車的重要性無可取代。可以說誰掌握了BMS電源管理系統的技術核心，誰就能搶先占領新能源汽車的市場，在我國許多汽車品牌的行業也在研究BMS電源管理系統比如“寶駿”“比亞迪”“帝豪”“北汽威旺”可見市場的可挖掘性。從現狀就可以看出來，未來的BMS必將占領汽車市場的一大片領域，不管是從社會環境、實用性，還是各方面EMS都終將是發展的方向。但是BMS也有挑戰的方面，對于電池系統的管理安全方面是一個非常大的問題。在國家大力提倡大學生創新創業的大背景下，高校積極開展大學生創新創業教育，提出了BMS電源管理系統研究項目，獲得了校創新創業項目立項。

1 BMS系統設計

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

BMS系統主要有以下幾個功能：

（1）電源工作狀態實時監控：這個功能主要是對電池工作過程中對電源的電壓溫度工作電流和電池的，剩余，電量等一系列數據進行實時監控或者是相應的計算，然后根據這些數據判斷電池的狀態做出相應的反應，這個功能主要是提電池的安全性，防止充電時過充，或者是工作狀態下過放。

（2）短路保護：短路保護主要是對電源在工作狀態下出現了幾種情況進行及時的切斷電路，或者是跳閘。系統在工作狀態下有很多的不穩定因素，這些因素有可能導致電源兩端電壓增大或者是過濾紅出現短路的情況等等，這時候就需要短路保護，做出相應的反應，以防止過大的損失或者發生危險。

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

（4）溫度檢測：在日常生活中，你會發現電池在冬天時候沒有夏天耐用。這就是因為溫度對電池內部存儲電荷量的影響，當溫度低時，充電慢存儲，電荷量少，而且容易發生一些事故。例如電壓，供不上電流不夠，或者說出現暫時性的沒有電壓沒有電流。這時候就需要溫度檢測，然后對電源進行實質性的檢測數據集中后進行運算做出相應的動作。例如，夏天時候溫度高在行駛過程中電源可能會發熱，這時候就需要檢測到高溫情況下，系統立馬做出反應，降低電源溫度，保證電源的安全。

BMS電源管理系統主要有以下幾個模塊：

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

（2）信號采集模塊：這部分主要是由各類傳感器對電源進行數據的實時測量，然后反饋到處理芯片生成數據群進行運算供給主系統進行判斷，然后做出相應的動作。他測量的主要數據是電池組的電壓充電時的電流放電時的電流運行時的電壓溫度等，參數通常采用的處理方式是隔離處理。

（3）均衡電路模塊：這個模塊主要是對電源組單體電壓的采集，并進行單期間的均衡充電是電源類的電池達到均衡統一的狀態，現在有主動均衡和被動均衡那兩種方式，這兩種方式也可稱之為無損。

（4）下位機模塊：下位機模塊主要是對信號進行處理控制，然后進行主控板和外部的器件間的通訊。

本設計系統的數據處理SOC的運算方法采用的是卡爾曼濾波算法，運算框圖1所示，系統數據的運算流程如上所示，信號由信號采集系統采集，然后進行篩選合格的信號傳送儲存到相應的數據池MCU進行運算，運算完的數據和開始設定的數據相對比做出相應的反映信號發送給相應的外設端口，實現數據的處理和運用。當然這只是數據和模塊之間的數據處理，程序的編寫也和這有很大的關聯。

2 主控芯片的選擇

采用的主控芯片型號是STM32F103C8T6，選擇這個芯片的原因有以下幾點：

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

（2）54K 字節的 Flash 閃存程序存儲器，因為程序牽涉到的外部端口很多，寫的程序需要有大的閃存地方才能夠下載。

（3）多達 64K 字節的 SRAM。

（4）支持調試（SWD）和 JTAG 接口調試，SOC估算需要使用在線調試，這樣會給我們節省非常多的時間讓我們更容易對系統進行控制和調試。

綜合對比，選定了STM32F103C8T6，性能和功能跟得上，價格適宜。

電池管理芯片為BQ76940，它可以同時最多監控15串電池，支出多達 3 路溫度檢測，保護功能包括：放電過流、短路、單體過壓、欠壓。純數字 IIC 接口（循環冗余校驗 CRC）3.3V或2.5V 穩壓器輸出。另外兩個模塊的芯片為，串口芯片 MAX485， CAN 芯片 SN65HV230。

3 程序設計與算法

采用模塊化編程方法，程序流程圖如圖2所示。模塊化運行程序特點：

（1）使用誰調用誰，能夠節省大量的運行內存，提高CPU的使用效率，減少芯片的發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行編程，對每個模塊進行編號，能夠實現主程序和模塊程序相互配合的運行，這樣就會極大的提高CPU效率的利用率。

（3）分模塊寫的每個模塊都有不同的編號，方便調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 仿真運行

采用美國MathWorks公司生產的商業數學軟件MATLAB進行仿真運行。MATLAB是用于算法開發、數據可視化、數據分析和數值計算的高級技術計算語言和交互環境，Simulink模塊是MATLAB中的可視化仿真工具，是基于MATLAB的框圖設計環境，是動態系統建模、仿真和分析的軟件包。它廣泛用于線性系統、非線性系統、數字控制和數字信號處理的建模和仿真。Simulink為動態系統建模、仿真和綜合分析提供了一個集成環境。在這種環境下，不需要編寫大量的程序，只需要簡單直觀的鼠標操作就可以構建復雜的系統。

5 結束語

基于STM32F103C8T的BMS電源管理系統能夠完成實時監控、自動均衡、智能充放電的主控，起到安全保護、延長電源的壽命、估算剩余電源電量、檢測電源的溫度、以及工作狀態是否正常等重要功能，新能源汽車電源系統中必不可缺的重要部分， 其管理和控制功能，保障了電動汽車在使用中的正常運行，增加使用者的安全系數。同時，通過本次創新實踐活動，使得項目組成員對BMS技術有了一個更全面和深刻的認識，完成了一次技術創新實踐。

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（項目來源：鄭州工程技術學院 2020年大學生創新創業訓練計劃 項目編號：202011068032，項目名稱：基于“互聯網+”的電源管理系統研究）

作者簡介：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。