基于國產電子元器件的電池管理系統設計與實現

江可揚

（武漢船用電力推進裝置研究所，湖北武漢，430064）

0 引言

隨著新能源快速發展與應用，鋰離子動力電池船舶越來越多地出現在內河及近海。船艙工作環境和工作條件復雜，環境溫度、濕度、氣壓、腐蝕、振動和沖擊、輸入和輸出功率的突變和靜態放置等方面的變化對動力電池提出了挑戰。而且由于單體鋰電池一致性差，工作發熱等原因都會造成安全隱患。所以動力電池組需要電池管理系統監測電池組狀態，安全、可靠和準確地控制電池組充放電和安全保護。

很多公司和團隊也自主研發電池管理系統。現有的產品中，多以意法半導體公司的STM32F 系列ARM 芯片作為控制核心，ADI 公司的電池監控芯片作為前端芯片。國外電子元器件的產能、供貨周期、停產等都會影響電池管理系統的生產和使用[1]。設計一款性能滿足船用需求的基于國產化器件的電池管理系統有著必要性和緊迫性。

本文將詳細闡述國產化電池管理系統硬件設計與實現，并對測試結果進行分析。

1 模塊框架設計

綜合考慮兼顧成本、開發難度、拓展性等，電池管理系統的功能在硬件上分為控制板和采集板，采用分離設計，分別命名為ВMU和ВCU。電池管理系統功能框圖如圖1所示[2]。

圖1 BMS 樣機連接框圖

ВMU 模塊負責電池組電壓采集，電池組電流采集，電池組絕緣檢測，通過1 路CAN 與ВCU 單元通信，1 路CAN與外部上位機通信，傳輸電池組相關狀態數據。

ВCU 模塊負責單體電池電壓采集，單體電池溫度采集，開關控制輸出，通過CAN 總線連接ВMU 模塊傳輸相關狀態數據。

ВCU 和ВMU 模塊控制核心均選擇華大半導體公司的ARM 芯片HC32F4A0 系列芯片。HC32F4A0 系列芯片是ARMv7-M 架構 32bit Cortex-M4 CPU，集成FPU、MPU，支持SIMD 指令的DSP。最高工作主頻 240MHz，達到300DMIPS 或825Coremarks 的運算性能ВMU 模塊中，A/D 芯片選擇核心互聯的CL1606，8 通道，16 位精度。ВCU模塊設計架構如圖2 所示。

圖2 BMU 模塊設計框架

ВCU 模塊中，電池監控芯片使用杰華特公司JW3302。JW3302 通過SPI 協議與ARM 通信，溫度檢測模塊使用ARM 芯片內部AD 進行轉換。ARM 芯片控制均衡單的MOS管控制電池的電壓均衡。ARM 芯片通過CAN 通訊與主模塊或上位機進行數據交互。ВCU 模塊設計架構如圖3 所示。

圖3 BCU 模塊設計框架

圖4 絕緣監測電路

2 BMU 硬件電路設計

■2.1 電池組電壓電流采集電路

電池組電壓經過電阻分壓后（本文中，分壓到2/1000），輸入到隔離運放NSI1311-DSWVR，該運放為納芯微公司生產的隔離運放，固定增益為1，差分輸出，隔離電壓達5000V。運放差分輸出接到ADC 芯片CL1606。CL1606 采集位數達16 位。CL1606 采集到的數據直接通過16 位數字輸出接口與ARM 連接，ARM 收到數據進行處理。

電池組電流經傳感器變換為電壓信號，經過共模濾波器和磁珠濾波后，通過電阻分壓（本文中，分壓到2/5）給到A/D 芯片CL1606，模數轉換后給到ARM 處理數據。

電阻分壓的比例，可以根據不同電池組型號，進行修改，保證合適測量范圍和精度。

■2.2 絕緣監測

通過打開和關閉2 個繼電器，檢測電池組電壓變化，計算出電池組正負極絕緣阻值。

3 BCU 硬件電路設計

■3.1 電源電路

充分考慮電磁兼容性，輸入濾波電路設計如圖5 所示，有壓敏電阻，電壓瞬態抑制器，以及共模濾波器，MOS 管和電阻R333、R337 構成防反接電路，防止電源接線誤接；F1 為熔絲，提供短路或嚴重過載保護。

圖5 電源輸入電路

圖6 JW3302 外圍電路

圖7 溫度采樣電路

系統供電采用電池組取電方式，選擇金升陽DC/DC 電源模塊URВ4812YMD-20WR3，輸入電壓范圍18～75V，覆蓋電池包電壓變化范圍。

■3.2 電壓檢測模塊

電池的電芯電壓與電池管理系統的SOC精確估算息息相關，同時是判斷鋰電池充放電程度的重要標準之一，是電池主動均衡的重要參考條件之一，關系到電池的使用壽命，為了預防嚴重過充，電壓數據采集要精準、快速。

JW3302 芯片具有12-bit VADC 用于采集電芯電壓，共有14 路電壓采集通道，內置均衡開關，適用于總壓在8～60V 的電池包。測量誤差小于1.22mV，可在1.28ms 內完成14 路的電壓測量及SPI 傳輸。

船用鋰電池型號種類多，大多數鋰電池電芯數集中在8-24 節的范圍內。單個JW3302芯片最多監測14 個電芯，為了兼容多種鋰電池，設計采用2 個芯片串聯的方式，使設計最多可以監測28 個電芯。基本覆蓋市場所有鋰電池。

■3.3 溫度檢測模塊

鋰電池溫度的過低或過高會直接影響性能甚至危及安全。鋰電池能保持良好工作性能的溫度范圍為 0℃～40℃區間內。溫度過低會降低電解液和鋰離子的活性，若長時間處于低溫環境下，電池正電極會析出金屬鋰，給電池造成不可修復性損害。溫度過高更容易出現安全隱患，當溫度超過 45℃時，破壞化學平衡，電池材料迅速退化，整個電池會脹氣鼓包，嚴重時隔膜變形，導致內部電解液滲出產生爆炸[4]。

ВCU 模塊設計了24 路溫度采集以滿足使用要求。ВCU模塊安裝位置與NTC 熱敏電阻空間距離較近，且路數多，綜合考慮使用如圖4 所示的分壓原理電路，計算熱敏電阻上的壓降，從而計算出溫度。

HC32F4A0 系列芯片支持最多3 路ADC，芯片資源無法同時完成24 路溫度采樣。增加外部AD 芯片，同時提升了成本及模塊尺寸。考慮到電池管理系統對溫度采樣的精度和實時性要求不高，文中采用8:1 多路選擇器，將24 路溫度分成3 組，每組8 路，通過ARM 輸出3 位地址進行通道選擇，通過輪巡的方式循環讀取8 路溫度。此方案在速度、精度和成本中找到了平衡點。通過公式得到電阻值。其中N 為ARM 的AD 采樣原始值。

■3.4 均衡模塊

電池的過充過放是造成其快速老化的原因之一。所以在電池充放電過程中需要電壓均衡，讓各個電池組的電壓一致，才能有效長久地使用電池。電池組均衡方式有被動均衡和主動均衡兩種。主動均衡有4 種拓撲結構，開關電容拓撲結構、變壓器型拓撲結構、DC/DC 變換器型均衡拓撲結構和電感型均衡拓撲結構。在電芯級采用主動均衡效率不高，且外圍電路復雜，成本高[5]。本文選擇被動均衡，使用電阻發熱的形式將電壓高的鋰電池電量放掉，外圍電路設計簡單。

為了綜合利用光耦的隔離，以及MOS 管的輸出特性。文中選擇Photo MOS 進行開關控制。通過ARM 的IO 引腳，選擇高電壓的電芯放電。

4 電池管理系統PCB 設計

在ВMU 和ВCU 模塊的PCВ 設計中，需要考慮電磁兼容設計。

敏感器件放置在電路板當中位置，濾波電容放在被濾波器件的相應引腳附件，或在共模電流泄放的路徑中。電源層在保證沒有串擾發生的情況下盡可能地大，電源層盡量做到與地層相鄰，增加電源平面與地平面之間的層間電容，可去高頻耦合。特殊信號線如時鐘信號、高速信號、敏感信號等布線要注意方法。所有的空置區域都要鋪銅處理[6]。

ВMU 和ВCU 模塊實物如圖8，圖9 所示。為了測試方便，設計中選擇了3.5mm 寬間距連接器，后續改版中會修改為排線或矩形連接器。

圖8 BMU 實物圖

圖9 BCU 實物圖

5 試驗及分析

試驗中，對ВMU 和ВCU 的采樣精度進行測量，并重點關注了電芯電壓采樣精度。試驗結果如表1 所示。

為了保證試驗結果準確，電芯電壓的測試中，使用高精度萬用表測量每一路電壓實際值，與ВCU 模塊測量值相減。如圖10 所示，3 組24 路電芯采樣，誤差在±4mV 以內。

圖10 電芯電壓測試結果

試驗結果驗證了基于國產電子元器件的電池管理系統，采樣精度不弱于使用進口電子元器件的原系統。精度指標滿足船用電池管理系統一般要求。

但本文中所進行的試驗，全部在實驗室環境中進行。裝入電池包后，在復雜的溫度、濕度、電磁干擾環境下能否穩定運行，還有待進一步的試驗驗證。

6 結論

本文梳理了電池管理系統的功能劃分，介紹了ВMU 和ВCU 模塊的功能組成，詳細說明了國產電子元器件的選型，以及關鍵電路的設計。并著重介紹了PCВ 板的電磁兼容設計。實物試驗結果驗證了基于國產電子元器件的電池管理系統在性能指標上滿足需求，為今后進一步的試驗打下了基礎。