电池管理系统整体设计

电池管理系统设计方案电池管理系统设计方案仅供参考目录目的主要功能和指标电池管理系统整体设计系统硬件设计系统软件设计故障诊断及保护控制策略结语主要功能和指标电池管理系统主要有三个功能：（1）实时监测电池状态。通过检测电池的外特性参数（如电压、电流、温度等），采用适当的算法，实现电池内部状态（如容量和SOC等）的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关键；（2）在正确获取电池的状态后进行热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警等；（3）建立通信总线，向显示系统、整车控制器和充电机等实现数据交换。设计指标(部分)项目技术要求说明最高可测量总电压450VDC最大可测量电流500ASOC估算误差（％）≤6单体电压测量精度≤0.5%在可测量电压范围内电流测量精度≤1%按电流传感器满量程值计算温度测量精度≤±1℃工作温度范围－30℃-85℃高于电池工作温度要求CAN通讯满足整车控制要求故障诊断对电池故障进行诊断报警故障记忆功能统计记录次数，记录最后一次故障时电池状态信息在线监测与调试功能满足整车要求电池管理系统网络拓朴图整车控制器电机控制器……电池管理系统主控模块从控模块1从控模块2从控模块3从控模块4从控模块5从控模块6从控模块7从控模块8充电机车载监控系统高速CAN1高速CAN2内部CAN总线车辆充电插头从控模块9从控模块10电流总电压与绝缘电池管理系统整体设计——主控模块主控模块包括继电器控制、电流测量、总电压与绝缘检测和通讯接口等电路。隔离隔离隔离隔离隔离中央处理器RS232模块存储设备硬件看门狗总电压与绝缘检测CAN2模块继电器控制24V绝缘检测线CAN0模块电流检测安时计量电流检测线CAN1模块电源变换系统时钟电池管理系统整体设计——从控模块从控模块主要实现电压测量、温度测量、均衡管理、热管理和通讯等电路。隔离隔离隔离隔离中央处理器电源变换存储设备硬件看门狗温度检测电压检测风机控制24V电压检测线温度检测线CAN模块系统时钟均衡控制模块功能描述电源模块：给各种用电器件提供稳定电源MCU模块：采集、分析数据、收发控制信号继电器控制模块：控制继电器的吸合、断开来控制电池组是否向外供电电流检测模块：采集电池组充放电过程中的充放电电流电压检测模块：测量电池组各个模块电压温度检测模块：检测电池组充放电过程中电池组温度均衡控制模块：对电池均衡进行控制总电压与绝缘检测模块：监测动力电池组总电压以及电池组与车体之间的绝缘是否符合要求CAN收发模块：进行其他控制器与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断,协调整车控制系统与MCU之间的通信RS232收发模块：用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、参数的修正实物图片——主控模块主控模块电源及其处理电路CAN通信处理电路继电器MC9S12DT128实时时钟芯片存储器总电压隔离运放绝缘检测电路电流测量电路实物图片——从控模块从控模块电源处理电路CAN通信电路9S08DZ32隔离光耦电压检测芯片电压检测芯片继电器温度检测电路实物图片——显示终端硬件设计——主控制器（1）主控制器（MainControlUnit，MCU）MCU控制器具备以下主要参数：主控模块采用型号为9S12DT128的MCU，工作频率:24MHz，128k片内FLASH，4K片内RAM，3路CAN控制器，112脚封装。从控模块采用型号为9S08DZ32的MCU,工作频率16MHz，32k片内FLASH,2K片内RAM，1路CAN控制器，32脚封装。硬件设计——电源模块（2）系统电源模块设计本电池管理系统使用到的供电电源为车载24V转变成5V。采用隔离电源模块得到电压检测、电流检测、绝缘监测、温度检测用供电电源。在电源输入前端加入二极管完成反向保护，两级滤波电路有利于系统的抗干扰性。硬件设计——主回路控制模块（3）主回路控制模块设计动力总成控制系统给继电器提供驱动电源，MCU输出高低电平控制信号来控制驱动继电器闭合与断开，实现主回路继电器的吸合与开启。串行互锁控制方式，提高控制可靠性硬件设计——电流采集（4）电流采集电路设计电池组在整车的实际工况中，电流的变化范围为-200A至+500A（精度：1A）之间，为了保证电流采集的精度，采用全范围等精度较高的分流器检测电池组总电流。信号经调理后送高速AD进行数模转换和电流积分运算，数字信号经光耦隔离后输入MCU进行处理。硬件设计——温度采集（5）电压采集电路设计在整车实际工况中，随着电池组充放电的进行，电池组的电压不断变化，单体电池之间电压的一致性也会大大影响电池组的性能，所以也有必要检测每个单体电池的电压。采用专用的电压采集芯片对单体电池电压进行模数转换后，通过光耦将数字信号传至MCU。单体电池电压的检测精度为10mV硬件设计——温度采集（6）温度采集电路设计电池组温度也是影响电池组性能的重要参数，电池组温度过高或过低会造成电池组不可逆转破坏。本系统采用数字式温度传感器，把每个温度传感器的地线、数据线、电源线进行合并，采用一根数据总线来进行通信，温度检测精度为1℃。硬件设计——绝缘模块（7）绝缘模块电路设计绝缘检测模块用来测试判定动力电池组与车体绝缘是否达标，通过测量直流母线与电底盘之间的电压，计算得到系统的绝缘电阻值。硬件设计——CAN收发模块（8）CAN收发模块电路设计采用CAN收发器来进行MCU与动力总成控制系统及其他控制器之间CAN通信。CAN通信采用了共模扼流圈滤波等技术，通信抗干扰能力强，通信比较稳定。CAN通信能够用于动力总成控制系统与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断。CAN收发器波特率为250kbps，数据结构采用扩展帧（29位ID值）。硬件设计——RS232收发模块（9）RS232收发模块电路设计RS232收发模块采用芯片MAX232转换电平，采用标准电路进行通信。RS232收发模块，用于进行电池组管理系统程序的标定、参数的修正。RS232收发模块波特率为19.2kbps系统软件设计——主控模块主控模块系统上电后，首先进行系统的初始化，对一些重要的参数进行赋值，对相关的外设进行配置和初始化。初始化完成后，进入主循环，在主循环里循环执行电流检测和SOC计量，总电压与绝缘检测，数据处理与故障判断，数据存储，232通讯、CAN0通讯、CAN1通讯和CAN2通讯这些子程序。入口初始化系统电流检测与SOC计量总电压与绝缘检测处理CAN0(内部通信)处理CAN1（整车控制器）处理232通讯数据存储数据处理与故障判断处理CAN2（监控终端、充电机）系统软件设计——数据处理与SOC估算数据处理与SOC估算承担了电池管理系统核心的计算工作，包括电池组的SOC，最高、最低温度，最大、最小充放电功率，最大、最小充放电电流，最大、最小模块电压等数据的分析计算。SOC的估算在安时计量方法的基础上，采用电池的OCV-SOC曲线对SOC进行修正。开始等待模拟量采集完毕计算最大、最小充放电电流计算最大、最小充放电功率计算最高、最低温度计算最大、最小模块电压满足计算SOC条件否？是计算SOC估算电池组性能指标系统软件设计——从控模块从控模块上电后先完成系统初始化，对一些重要的参数进行赋值，对相关的外设进行配置和初始化。初始化完成后，在主循环里执行电压检测、均衡控制、温度检测、热管理等子程序。初始化系统均衡控制温度检测热管理数据计算处理与故障判断232通信CAN通信数据存储电压检测故障诊断及保护控制策略故障名称描述故障阀值故障解除阀值整车处理方式BMS处理方式BMS温度控制系统失效BMS风扇及加热控制失效检测异常检测正常整车接到故障警告3次以上（含），控制停车，同时通过CAN发送断电控制命令接到整车断电控制命令后，启动高压切断流程；未接到整车命令时，持续上报故障至故障解除；发生故障时，若动力主线还未接通则禁止接通BMS故障BMS自检硬件出现故障检测异常检测正常整车接到故障警告3次以上（含），控制停车，同时通过CAN发送断电控制命令接到整车断电控制命令后，启动高压切断流程；未接到整车命令时，持续上报故障至故障解除；发生故障时，若动力主线还未接通则禁止接通绝缘等级低电池组输出与底盘绝缘电阻小于阀值500欧/V*V（电池组电压）*1.5500欧/V*V（电池组电压）*2整车接到故障警告3次以上（含），控制停车，同时通过CAN发送断电控制命令接到整车断电控制命令后，启动高压切断流程；未接到整车命令时，持续上报故障至故障解除；发生故障时，若动力主线还未接通则禁止接通单体或总电压过高单体电压或总电压超过阀值单体电压3.65V单体电压：3.60V整车接到故障警告3次以上（含）,控制电机停止对电池回充，直至故障解除持续上报故障至故障解除单体或总电压过低单体电压或总电压低于阀值单体电压2.0V单体电压2.5V整车接到故障警告3次以上（含）,整车控制停机，并提示司机停车充电持续上报故障至故障解除总电压：240V总电压300VSOC过高SOC超过阀值100%95%整车接到故障警告3次以上（含），控制电机停止对电池回充，直至故障解除持续上报故障至故障解除SOC过低SOC低于阀值10%15%整车接到故障警告3次以上（含）,整车控制停机，并提示司机停车充电持续上报故障至故障解除温度过高温度超过阀值50℃45℃整车接到故障警告3次以上（含）,按照BMS上传的最大充、放电电流的50%控制电机输出，直至故障解除；持续上报故障至故障解除，同时控制启动热管理；发生故障时，若动力主线还未接通则禁止接通温度不均衡最高温度与最低温度之差超过阀值5℃3℃整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大充、放电电流的70%控制电机输出，直至故障解除；持续上报故障至故障解除,同时控制启动热管理电压不均衡单体电压与平均电压之差超过阀值55mV40mV整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大充、放电电流的70%控制电机输出，直至故障解除；持续上报故障至故障解除,同时控制均衡电池（均衡在检测到电池差异时就会启动，不以故障出现为条件）SOC偏高SOC超过阀值95%90%整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大充电流的80%控制电机对电池回充，直至故障解除；持续上报故障至故障解除SOC偏低SOC低于阀值15%20%整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大放电电流的80%控制电机输出，提示司机尽快停车充电；持续上报故障至故障解除充电电流过大充电电流超过阀值BMS上报的最大充电电流的110%BMS上报的最大充电电流的90%整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大充电电流的80%控制电机充电，直至故障解除；持续上报故障至故障解除放电电流过大放电电流超过阀值BMS上报的最大放电电流110%BMS上报的最大充电电流的90%整车接到故障警告3次以上（含），按照BMS上传的最大充电电流的80%控制电机输出，直至故障解除；持续上报故障至故障解除充电温度过低温度低于阀值0℃5℃整车接到故障警告3次以上（含）,控制电机停止对电池回充，直至故障解除持续上报故障至故障解除,同时控制启动热管理结语我们对电池管理系统的硬件进行了专门设计，对其软件进行了程序编写，在此基础上对电池管理系统进行了相关台架匹配测试及整车运行验证，证明本电池管理系统达到了设计要求，性能可靠。