电池管理系统整体设计精讲一.ppt

电池管理系统设计方案电池管理系统设计方案电池管理系统设计方案电池管理系统设计方案 德龙微电科技德龙微电科技( (深圳深圳) )有限公司有限公司 - -蒋涛编著蒋涛编著 目录目录 n n 目的目的 n n 主要功能和指标主要功能和指标 n n 电池管理系统整体设计电池管理系统整体设计 n n 系统硬件设计系统硬件设计 n n 系统软件设计系统软件设计 n n 故障诊断及保护控制策略故障诊断及保护控制策略 n n 结语结语 主要功能和指标主要功能和指标 n n 电池管理系统主要有三个功能：电池管理系统主要有三个功能： （1 1）实时监测电池状态。通过检测电池的外特性实时监测电池状态。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（如容量和法，实现电池内部状态（如容量和SOCSOC等）的估等）的估 算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和 关键；关键； （2 2）在正确获取电池的状态后进行热管理、电池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；均衡管理、充放电管理、故障报警等； （3 3）建立通信总线，向显示系统、整车控制器和建立通信总线，向显示系统、整车控制器和 充电机等实现数据交换。充电机等实现数据交换。 设计指标设计指标( (部分部分 ) ) 项项 目技术术要求说说明 最高可测量总电压450 VDC 最大可测量电流500A SOC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电池管理系统网络拓朴图 电池管理系统整体设计电池管理系统整体设计 主控模块主控模块 n n 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检测和通讯接口等电路 。 电池管理系统整体设计电池管理系统整体设计 从控模块从控模块 n n 从控模块从控模块主要实现电压测量、温度测量、均衡管主要实现电压测量、温度测量、均衡管 理、热管理和通讯等电路。理、热管理和通讯等电路。 模块功能描述模块功能描述 n n 电源模块：给各种用电器件提供稳定电源电源模块：给各种用电器件提供稳定电源 n n MCUMCU模块：采集、分析数据、收发控制信号模块：采集、分析数据、收发控制信号 n n 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 n n 电流检测模块：采集电池组充放电过程中的充放电电流电流检测模块：采集电池组充放电过程中的充放电电流 n n 电压检测模块：测量电池组各个模块电压电压检测模块：测量电池组各个模块电压 n n 温度检测模块：检测电池组充放电过程中电池组温度温度检测模块：检测电池组充放电过程中电池组温度 n n 均衡控制模块：对电池均衡进行控制均衡控制模块：对电池均衡进行控制 n n 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间的绝缘是否符合要求 n n CANCAN收发模块：进行其他控制器与收发模块：进行其他控制器与MCUMCU间的数据通信及程序的标定与间的数据通信及程序的标定与 诊断诊断, ,协调整车控制系统与协调整车控制系统与MCUMCU之间的通信之间的通信 n n RS232RS232收发模块：用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、收发模块：用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、 参数的修正参数的修正 实物图片实物图片主控模块主控模块 n n 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 MC9S 12DT128 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 实物图片实物图片从控模块从控模块 n n 从控模块从控模块 电源处 理电路 CAN通信 电路 9S08 DZ32 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 实物图片实物图片显示终端显示终端 硬件设计硬件设计 主控制器主控制器 n n （1 1）主控制器（）主控制器（Main Control UnitMain Control Unit，MCUMCU ） 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 。 硬件设计硬件设计 电源模块电源模块 n n （2 2）系统电源模块设计）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。 硬件设计硬件设计 主回路控制模块主回路控制模块 n n （3 3）主回路控制模块设计）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 硬件设计硬件设计 电流采集电流采集 n n （4 4）电流采集电路设计）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。 硬件设计硬件设计 温度采集温度采集 n n （5 5）电压采集电路设计）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 硬件设计硬件设计 温度采集温度采集 n n （6 6）温度采集电路设计）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。 硬件设计硬件设计 绝缘模块绝缘模块 n n （7 7）绝缘模块电路设计）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。 硬件设计硬件设计 CANCAN收发模块收发模块 n n （8 8）CANCAN收发模块电路设计收发模块电路设计 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）。 硬件设计硬件设计 RS232RS232收发模块收发模块 n n （9 9）RS232RS232收发模块电路设计收发模块电路设计 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 系统软件设计系统软件设计主控模块主控模块 n n 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。 系统软件设计系统软件设计数据处理与数据处理与SOCSOC估算估算 n n 数据处理与数据处理与SOCSOC估算估算 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 系统软件设计系统软件设计从控模块从控模块 n n 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。 故障诊断及保护控制策略故障诊断及保护控制策略 故障名称描述故障阀值阀值故障解除阀值阀值整车处车处 理方式BMS处处理方式 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 ） *1.5 500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 300V SOC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