動(dòng)力電池BMS整體設(shè)計(jì)方案書(shū)

電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案僅供參考2021/6/271目錄目的主要功能和指標(biāo)

電池管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

故障診斷及保護(hù)控制策略

結(jié)語(yǔ)

2021/6/272主要功能和指標(biāo)

電池管理系統(tǒng)主要有三個(gè)功能：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)電池的外特性參數(shù)（如電壓、電流、溫度等），采用適當(dāng)?shù)乃惴?，?shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；（2）在正確獲取電池的狀態(tài)后進(jìn)行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報(bào)警等；（3）建立通信總線，向顯示系統(tǒng)、整車(chē)控制器和充電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2021/6/273設(shè)計(jì)指標(biāo)(部分)項(xiàng)目技術(shù)要求說(shuō)明最高可測(cè)量總電壓450VDC最大可測(cè)量電流500ASOC估算誤差（％）≤6%單體電壓測(cè)量精度≤0.5%在可測(cè)量電壓范圍內(nèi)電流測(cè)量精度≤1%按電流傳感器滿量程值計(jì)算溫度測(cè)量精度≤±1℃工作溫度范圍－30℃-85℃高于電池工作溫度要求CAN通訊滿足整車(chē)控制要求故障診斷對(duì)電池故障進(jìn)行診斷報(bào)警故障記憶功能統(tǒng)計(jì)記錄次數(shù)，記錄最后一次故障時(shí)電池狀態(tài)信息在線監(jiān)測(cè)與調(diào)試功能滿足整車(chē)要求項(xiàng)目技術(shù)要求說(shuō)明最高可測(cè)量總電壓450VDC最大可測(cè)量電流500ASOC估算誤差（％）≤6%單體電壓測(cè)量精度≤0.5%在可測(cè)量電壓范圍內(nèi)電流測(cè)量精度≤1%按電流傳感器滿量程值計(jì)算溫度測(cè)量精度≤±1℃工作溫度范圍－30℃-85℃高于電池工作溫度要求CAN通訊滿足整車(chē)控制要求故障診斷對(duì)電池故障進(jìn)行診斷報(bào)警故障記憶功能統(tǒng)計(jì)記錄次數(shù)，記錄最后一次故障時(shí)電池狀態(tài)信息在線監(jiān)測(cè)與調(diào)試功能滿足整車(chē)要求2021/6/274電池管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

2021/6/275電池管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

——主控模塊主控模塊包括繼電器控制、電流測(cè)量、總電壓與絕緣檢測(cè)和通訊接口等電路。2021/6/276電池管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

——從控模塊從控模塊主要實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量、溫度測(cè)量、均衡管理、熱管理和通訊等電路。2021/6/277模塊功能描述電源模塊：給各種用電器件提供穩(wěn)定電源MCU模塊：采集、分析數(shù)據(jù)、收發(fā)控制信號(hào)繼電器控制模塊：控制繼電器的吸合、斷開(kāi)來(lái)控制電池組是否向外供電電流檢測(cè)模塊：采集電池組充放電過(guò)程中的充放電電流電壓檢測(cè)模塊：測(cè)量電池組各個(gè)模塊電壓溫度檢測(cè)模塊：檢測(cè)電池組充放電過(guò)程中電池組溫度均衡控制模塊：對(duì)電池均衡進(jìn)行控制總電壓與絕緣檢測(cè)模塊：監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組總電壓以及電池組與車(chē)體之間的絕緣是否符合要求CAN收發(fā)模塊：進(jìn)行其他控制器與MCU間的數(shù)據(jù)通信及程序的標(biāo)定與診斷,協(xié)調(diào)整車(chē)控制系統(tǒng)與MCU之間的通信RS232收發(fā)模塊：用于進(jìn)行電池組管理系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、程序的標(biāo)定、參數(shù)的修正2021/6/278實(shí)物圖片——主控模塊

主控模塊電源及其處理電路CAN通信處理電路繼電器MC9S12DT128實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片存儲(chǔ)器總電壓隔離運(yùn)放絕緣檢測(cè)電路電流測(cè)量電路2021/6/279實(shí)物圖片——從控模塊

從控模塊電源處理電路CAN通信電路9S08DZ32隔離光耦電壓檢測(cè)芯片電壓檢測(cè)芯片繼電器溫度檢測(cè)電路2021/6/2710實(shí)物圖片——顯示終端

2021/6/2711硬件設(shè)計(jì)

——主控制器（1）主控制器（MainControlUnit，MCU）MCU控制器具備以下主要參數(shù)：主控模塊采用型號(hào)為9S12DT128的MCU，工作頻率:24MHz，128k片內(nèi)FLASH，4K片內(nèi)RAM，3路CAN控制器，112腳封裝。從控模塊采用型號(hào)為9S08DZ32的MCU,工作頻率16MHz，32k片內(nèi)FLASH,2K片內(nèi)RAM，1路CAN控制器，32腳封裝。2021/6/2712硬件設(shè)計(jì)

——電源模塊（2）系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)

本電池管理系統(tǒng)使用到的供電電源為車(chē)載24V轉(zhuǎn)變成5V。采用隔離電源模塊得到電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、絕緣監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)用供電電源。在電源輸入前端加入二極管完成反向保護(hù)，兩級(jí)濾波電路有利于系統(tǒng)的抗干擾性。2021/6/2713硬件設(shè)計(jì)

——主回路控制模塊（3）主回路控制模塊設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成控制系統(tǒng)給繼電器提供驅(qū)動(dòng)電源，MCU輸出高低電平控制信號(hào)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)繼電器閉合與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)主回路繼電器的吸合與開(kāi)啟。串行互鎖控制方式，提高控制可靠性2021/6/2714硬件設(shè)計(jì)

——電流采集（4）電流采集電路設(shè)計(jì)

電池組在整車(chē)的實(shí)際工況中，電流的變化范圍為-200A至+500A（精度：1A）之間，為了保證電流采集的精度，采用全范圍等精度較高的分流器檢測(cè)電池組總電流。信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送高速AD進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和電流積分運(yùn)算，數(shù)字信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入MCU進(jìn)行處理。2021/6/2715硬件設(shè)計(jì)

——溫度采集（5）電壓采集電路設(shè)計(jì)在整車(chē)實(shí)際工況中，隨著電池組充放電的進(jìn)行，電池組的電壓不斷變化，單體電池之間電壓的一致性也會(huì)大大影響電池組的性能，所以也有必要檢測(cè)每個(gè)單體電池的電壓。采用專用的電壓采集芯片對(duì)單體電池電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)光耦將數(shù)字信號(hào)傳至MCU。單體電池電壓的檢測(cè)精度為10mV2021/6/2716硬件設(shè)計(jì)

——溫度采集（6）溫度采集電路設(shè)計(jì)

電池組溫度也是影響電池組性能的重要參數(shù)，電池組溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)造成電池組不可逆轉(zhuǎn)破壞。本系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器，把每個(gè)溫度傳感器的地線、數(shù)據(jù)線、電源線進(jìn)行合并，采用一根數(shù)據(jù)總線來(lái)進(jìn)行通信，溫度檢測(cè)精度為1℃。2021/6/2717硬件設(shè)計(jì)

——絕緣模塊（7）絕緣模塊電路設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)模塊用來(lái)測(cè)試判定動(dòng)力電池組與車(chē)體絕緣是否達(dá)標(biāo)，通過(guò)測(cè)量直流母線與電底盤(pán)之間的電壓，計(jì)算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。2021/6/2718硬件設(shè)計(jì)

——CAN收發(fā)模塊（8）CAN收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)

采用CAN收發(fā)器來(lái)進(jìn)行MCU與動(dòng)力總成控制系統(tǒng)及其他控制器之間CAN通信。CAN通信采用了共模扼流圈濾波等技術(shù)，通信抗干擾能力強(qiáng)，通信比較穩(wěn)定。CAN通信能夠用于動(dòng)力總成控制系統(tǒng)與MCU間的數(shù)據(jù)通信及程序的標(biāo)定與診斷。CAN收發(fā)器波特率為250kbps，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)展幀（29位ID值）。2021/6/2719硬件設(shè)計(jì)

——RS232收發(fā)模塊（9）RS232收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)RS232收發(fā)模塊采用芯片MAX232轉(zhuǎn)換電平，采用標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行通信。

RS232收發(fā)模塊，用于進(jìn)行電池組管理系統(tǒng)程序的標(biāo)定、參數(shù)的修正。

RS232收發(fā)模塊波特率為19.2kbps2021/6/2720系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)——主控模塊

主控模塊

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行賦值，對(duì)相關(guān)的外設(shè)進(jìn)行配置和初始化。初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)里循環(huán)執(zhí)行電流檢測(cè)和SOC計(jì)量，總電壓與絕緣檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理與故障判斷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，232通訊、CAN0通訊、CAN1通訊和CAN2通訊這些子程序。2021/6/27212021/6/2722系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)——數(shù)據(jù)處理與SOC估算

數(shù)據(jù)處理與SOC估算

承擔(dān)了電池管理系統(tǒng)核心的計(jì)算工作，包括電池組的SOC，最高、最低溫度，最大、最小充放電功率，最大、最小充放電電流，最大、最小模塊電壓等數(shù)據(jù)的分析計(jì)算。

SOC的估算在安時(shí)計(jì)量方法的基礎(chǔ)上，采用電池的OCV-SOC曲線對(duì)SOC進(jìn)行修正。2021/6/2723開(kāi)始等待模擬量采集完畢計(jì)算最大、最小充放電電流計(jì)算最大、最小充放電功率計(jì)算最高、最低溫度計(jì)算最大、最小模塊電壓滿足計(jì)算SOC條件否？是計(jì)算SOC估算電池組性能指標(biāo)2021/6/2724系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)——從控模塊

從控模塊

上電后先完成系統(tǒng)初始化，對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行賦值，對(duì)相關(guān)的外設(shè)進(jìn)行配置和初始化。初始化完成后，在主循環(huán)里執(zhí)行電壓檢測(cè)、均衡控制、溫度檢測(cè)、熱管理等子程序。2021/6/27252021/6/2726故障診斷及保護(hù)控制策略故障名稱描述故障閥值故障解除閥值整車(chē)處理方式BMS處理方式BMS溫度控制系統(tǒng)失效BMS風(fēng)扇及加熱控制失效檢測(cè)異常檢測(cè)正常整車(chē)接到故障警告3次以上（含），控制停車(chē)，同時(shí)通過(guò)CAN發(fā)送斷電控制命令接到整車(chē)斷電控制命令后，啟動(dòng)高壓切斷流程；未接到整車(chē)命令時(shí)，持續(xù)上報(bào)故障至故障解除；發(fā)生故障時(shí)，若動(dòng)力主線還未接通則禁止接通BMS故障BMS自檢硬件出現(xiàn)故障檢測(cè)異常檢測(cè)正常整車(chē)接到故障警告3次以上（含），控制停車(chē)，同時(shí)通過(guò)CAN發(fā)送斷電控制命令接到整車(chē)斷電控制命令后，啟動(dòng)高壓切斷流程；未接到整車(chē)命令時(shí)，持續(xù)上報(bào)故障至故障解除；發(fā)生故障時(shí)，若動(dòng)力主線還未接通則禁止接通絕緣等級(jí)低電池組輸出與底盤(pán)絕緣電阻小于閥值500歐/V*V（電池組電壓）*1.5500歐/V*V（電池組電壓）*2整車(chē)接到故障警告3次以上（含），控制停車(chē)，同時(shí)通過(guò)CAN發(fā)送斷電控制命令接到整車(chē)斷電控制命令后，啟動(dòng)高壓切斷流程；未接到整車(chē)命令時(shí)，持續(xù)上報(bào)故障至故障解除；發(fā)生故障時(shí)，若動(dòng)力主線還未接通則禁止接通單體或總電壓過(guò)高單體電壓或總電壓超過(guò)閥值單體電壓3.65V單體電壓：3.60V整車(chē)接到故障警告3次以上（含）,控制電機(jī)停止對(duì)電池回充，直至故障解除持續(xù)上報(bào)故障至故障解除2021/6/2727單體或總電壓過(guò)低單體電壓或總電壓低于閥值單體電壓2.0V單體電壓2.5V整車(chē)接到故障警告3次以上（含）,整車(chē)控制停機(jī)，并提示司機(jī)停車(chē)充電持續(xù)上報(bào)故障至故障解除總電壓：240V總電壓300VSOC過(guò)高SOC超過(guò)閥值100%95%整車(chē)接到故障警告3次以上（含），控制電機(jī)停止對(duì)電池回充，直至故障解除持續(xù)上報(bào)故障至故障解除SOC過(guò)低SOC低于閥值10%15%整車(chē)接到故障警告3次以上（含）,整車(chē)控制停機(jī)，并提示司機(jī)停車(chē)充電持續(xù)上報(bào)故障至故障解除溫度過(guò)高溫度超過(guò)閥值50℃45℃整車(chē)接到故障警告3次以上（含）,按照BMS上傳的最大充、放電電流的50%控制電機(jī)輸出，直至故障解除；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除，同時(shí)控制啟動(dòng)熱管理；發(fā)生故障時(shí)，若動(dòng)力主線還未接通則禁止接通溫度不均衡最高溫度與最低溫度之差超過(guò)閥值5℃3℃整車(chē)接到故障警告3次以上（含），按照BMS上傳的最大充、放電電流的70%控制電機(jī)輸出，直至故障解除；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除,同時(shí)控制啟動(dòng)熱管理電壓不均衡單體電壓與平均電壓之差超過(guò)閥值55mV40mV整車(chē)接到故障警告3次以上（含），按照BMS上傳的最大充、放電電流的70%控制電機(jī)輸出，直至故障解除；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除,同時(shí)控制均衡電池（均衡在檢測(cè)到電池差異時(shí)就會(huì)啟動(dòng)，不以故障出現(xiàn)為條件）SOC偏高SOC超過(guò)閥值95%90%整車(chē)接到故障警告3次以上（含），按照BMS上傳的最大充電流的80%控制電機(jī)對(duì)電池回充，直至故障解除；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除2021/6/2728SOC偏低SOC低于閥值15%20%整車(chē)接到故障警告3次以上（含），按照BMS上傳的最大放電電流的80%控制電機(jī)輸出，提示司機(jī)盡快停車(chē)充電；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除充電電流過(guò)大充電電流超過(guò)閥值BMS上報(bào)的最大充電電流的110%BMS上報(bào)的最大充電電流的90%整車(chē)接到故障警告3次以上（含），按照BMS上傳的最大充電電流的80%控制電機(jī)充電，直至故障解除；持續(xù)上報(bào)故障至故障解除放電電流過(guò)大放電電流超過(guò)閥值BMS上報(bào)的最大放電電流110%BMS上報(bào)的最大充電電流的