汽车研发：电池管理系统的设计与开发！

最近小姐姐发的少，不少老司机来问我要小姐姐

，主要是因为最近给大家带来了不一样的干货（例如：《李书福还是太温柔了，这些造车真正的难点都没告诉你！》），大家要淡定，今天就给大家带来了一个

！我也是根据内容来做管理好发小姐姐照片的哈，新能源汽车的电池要想续航长、跑得远，也需要做好电池系统的管理哈！

今天

和漫谈君一起来看看

电池管理系统的设计与开发

漫谈君说  

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一、电池管理系统概述

电动汽车的无(低)污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向，作为目前唯一可以产业化的纯电动汽车，其主要能源的动力电池是关键的部分，在整车成本中占有较高的比例，如在使用金属锂离子电池为主要能源的纯电动大客车中，动力电池占整车成本的三分之一以上，因此为了延长电池的使用寿命，降低使用成本，设计出实现对动力电池的在线监测与控制的动力电池管理系统尤为重要。

电池管理系统应具有如下功能：

二、电池管理系统整体架构

为了满足电池的这些要求，电池管理系统必须要有有效率的架构。其整体架构一般分为数控模块、执行模块、信息采集模块、显示模块等几个功能明确的模块，以此来管理整个电池系统的稳定和安全。

目前锂电池组BMS产品主要有两种架构，分别是集中式管理系统和分布式管理系统。

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集中式管理系统

该系统是将所有的采集单体电压和温度的单元全部集中在一块BMS板上，由整车控制器直接控制继电器。此系统成本较低，但是线束比较复杂，所支持的最高通道有限，适用性差。

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分布式管理系统

该系统是将电池模组的功能独立分离，整个系统形成了单体采集管理单元、电池管理控制器和整车控制器，三层两个网络的形式。该系统的线束相对简单，可根据要求进行扩充，适用性强。

由上图可知，电池管理系统的整个框架包含以下几个模块：

三、电池管理系统硬件开发

一个抗干扰性强、拥有足够的运算速度且成本可控的硬件平台是整个系统能够顺利开发的基础。电池管理系统硬件开发主要以下几个模块：

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采集均衡模块

采集均衡模块是电池管理系统的关键部分，一方面负责整个电池系统参数(包括每个电池组电压和温度)的采集；另一方面通过SPI总线接收来自主控模块的控制信息，实现均衡管理功能。

采集均衡模块是整个电池管理系统数据获取的入口，关系到电池工作状态的安全性以及电池管理系统运行的可靠性。因此必须选择合适的电池管理系统监控芯片。

根据不同的电池管理系统所需的通道数及转换速等参数要求选择合适的芯片。基于AD7280A的硬件设计和锂离子电池工作特性，电路设计中采取转换相邻电压输入通道的压差的方法，即电池单元1电压为‰1(电压输入通道1)-VIN0(电压输入通道0)、电池单元2电压VIN2(电压输入通道2)一VIN1(电压输入通道1)等等。此外电流温度等采集系统具有相同要求。具体电压采集电路如下图所示。

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主控制模块

主控制模块是电池管理系统的关键部分，一方面要对电池温度、电压和总电流等参数进行实时采集监测；另一方面，要对采集的信息进行处理，从而实现充放电管理、热管理、剩余电量估算、故障处理等功能，并将电池信息在LCD上实时显示。主控制模块是整个电池管理系统的核心，而主控制芯片则是主控制模块的关键。

综合考虑各芯片性能，选择最合适的热管理系统芯片。由以上表信息可知STM32F103VET6的综合性能完全满足电池管理系统的功能要求。

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电流采集模块

电流采集电路要实现高精度、高抗扰性、零漂移的目的。为了实现这个目的，需要选择一个合适的电流传感器，通过对市面上的大多数电流传感器进行分析对比，采用具有军工技术与制造工艺的FC-2分流器。

该分流器具有满足复杂工作环境、价格相对便宜、耐高温、受温度影响小以及测量电路相对简单的优点。通过采样放大电路对微弱电压信号放大进行采集，并通过ADC实现数模转换后送往微处理器进行分析处理。

电路目的是将电流信号转换为合理范围的电压信号，如下图所示。

由图可知，霍尔电流传感器测得的电流模拟信号先经过由Cl、C2、Ll组成的π型滤波器进行滤波，消除噪声干扰，然后通过采样电阻Rm转变为电压信号。其中采样电阻Ib采用精密电阻，容易算得该电阻消耗的功率在0.5W左右(p=I²R，其中I=±100mA)，因而选用低温漂的高精度金属膜电阻。电流输入信号范围为±100mA，此处所得电压信号为±5V，而主控芯片STM32F103VET6所搭载的ADC转换模块是单向的，所以需要将该电压信号转化为单向。此处使用运算放大器TL082C构成反向加法器，经由运放U_1A后所得输出可由公式算得：

其中V_IN为经由Rm转化所得电压信号，V_OUT1为图中运放U_lA的输出信号。各电阻数值由图可知，将V_IN=-5V～+5V带入上式可求得V_OUTl=-5V～0V。

又因为ADC转换模块使用的参考电压为+3.3V，所以还需要将电压信号降至3.3V以内进行测量。通过一个反向放大器即可实现，最终输出电压V_OUT2可由公式所得：

将=-5V～0V和电阻数值带入上式，可求得

满足ADC转换模块的工作要求。结合两式可得：

其中：

由传感器额定输入I=200A以及额定输出Im=100mA，可知：

综上可得

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充放电保护模块

充放电保护模块主要用于实现充放电控制，并为过流，过压等异常情况提供保护。

如下图，其中每个电路都采用一个继电器来控制电路的通断，并设置熔断器为锂离子电池提供保护。由图可知，在放电过程中，需先断开充电继电器，同时由于电机启动时电池端与电容端的压差较大，若直接闭合放电继电器，该回路阻值较小，电流很大，容易烧坏继电器。

因此先将预充电继电器闭合，预充电回路导通，为电容C进行充电，随着时间推移，负载电容C上的电压越来越高(预充电电流越来越小)，当其接近电池电压时，此时，断开预充电继电器，接通放电继电器，从而确保不再有大电流冲击。而在充电过程中，需先断开放电继电器和预充电继电器，同时由于充电电流一般较小，只需将充电继电器闭合即可。

四、电池管理系统软件设计

系统软件均采用模块化程序设计，中央控制器程序采用c语言编写，根据系统具有的功能分为若干子程序，其中包括：标定子程序、soc估计子程序、故障分析子程序、信号监控与报警子程序等电池测控程序采用汇编语言编写。

根据电池管理系统的功能要求，将应用程序划分为以下几个任务，具体如下图所示：

整个应用程序的运行按照下图几个步骤完成：

五、总结

电池的管理系统是整个电池安全稳定工作的重要保证，它的设计和开发尤为重要，不仅关系到整个汽车的工作效率更关系到安全保证。

在未来，随着电池技术的进步，电池管理系统必须与时俱进，以此保障电池的正常有效工作。

写在最后

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