一种新型BMS设计

杨德申

摘 要：BMS是连接动力电池组和电动汽车、储能等工具或设备的重要纽带，功能要求BMS应具备数据采集、电芯均衡、保护与告警、通信、充放电控制、数据存储等功能。为一套保护动力电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状态，通过必要措施缓解电池组的不一致性，为新能源车辆、储能等工具或设备使用安全提供保障。

关键词：BMS;智能电网;锂电池;低功耗;新能源

术语：

1）PCS（Power Covert System）：能量转换系统，即换流器，是进行逆变和整流的双向换流系统。

2）SOC（State Of Capacity）：电池剩余容量状态，用百分率表示。

3）SOH（State Of Health）：电池组健康度状态，用百分率表示。

4）BMS（Battery Management System）：電池管理系统，负责储能。

一、绪论

能源危机和环境污染已然成为影响社会发展的两大难题.在世界各国人民不断呼吁“低碳生活”的背景下，新能源开始占据着越来越重要的地位，锂电池作为可替代载体，得到了空前的发展。BMS是连接动力电池组和电动汽车、储能等工具或设备的重要纽带。当前应用环境要求BMS传输速度要求越来越快，输入输出口增多，传统的BMS冗余架构，使得数据转发次数增多，数据的实时性降低。基于当前的现状，作者提出了新的BMS架构和设计理念。提高BMS系统在现代储能系统的适应性。

二、硬件设计

新型的BMS要具有以下特点：

（1）大量的输入输出IO。

（2）支持多样的通讯接口，485、CAN和TCP等。

（3）大容量的存储空间，方便历史数据和参数的存储。

（4）处理速度快。

（5）要有大的显示屏，实现人机交互功能。

（6）多重硬件的保护机制。

基于以上要求，BMS主控选择STM32F407，从控选择STM32F107。

三、软件设计

（一）BMS工作原理

系统上电后，BMS先初始化，然后给PACK上电，BMS主控开始轮询PACK板数据，PACK将电池包的电芯电压、温度、均衡和状态信息上传给主控。主控采集霍尔传感器的电流数据和绝缘模块的绝缘阻值，然后主控根据采集的数据，分析电池的状态，计算SOC和SOH，根据数据采集值和告警阈值比较，更新系统告警状态，根据告警的状态，控制系统的充电、放电和均衡，同时周期性或者事件触发历史记录，实时更新显示屏数据，响应来自并机和上位机的查询和控制命令。

（二）BMS主控功能框图

BMS软件设计包括状态检测、状态分析、安全保护、能量控制管理和信息管理五大模块。

状态检测模块分为电芯电压、电流、绝缘阻值和温度检测。

状态分析模块分为SOC和SOH计算。

安全保护模块分为电压、电流、温度和绝缘检测保护功能。

能量控制分为充电、放电和均衡控制。

信息管理模块分为电池信息的显示、系统信息交互、历史记录和并机数据管理。

1.软件功能说明

BMS最基本功能就是测量电池单体的电压，温度和充放电电流，这是BMS顶层计算、控制逻辑的基础。

（1）单体电压测量和电压监控。单体电芯电压，对于BMS有几种作用，首先，是可以用来计算整个电池组电压，二是可以根据单体电压压差来判断单体差异性，三是可以用来检测单体的运行状态。

（2）电芯温度。温度对电池的参数有着很重要的作用，BMS在设计温度传感器的放置点，以及放置多少温度点和最后采集得到的温度点体现了电池包的运行情况。也是电池组加热和散热控制的重要依据。

（3）电流测量。电流测量手段主要是霍尔电流传感器。由于电池系统需要处理的电流数值往往瞬时很大，因此评估测量电池包的输出电流（放电）和输入电流（充电）的量程及精度也很重要。电流是引起单体温度变化的主要原因;电流变化的时候也会引起电压的变化，与时间一起，这三项是核算电池状态的必备元素。

（4）绝缘电阻检测。BMS内，一般需要对整个电池系统和高压系统进行绝缘检测，比较简单的是依靠电桥来测量总线正极和负极对地线的绝缘电阻。现在用的较多的是主动信号注入，主要是可以检测电池单体对系统的绝缘电阻。

（5）SOC的算法。电池系统中最核心也是最难的一部分就是SOC的估算。SOC估算常见的有安时积分法（SOCI），和开路电压标定法（SOCV）。安时积分最大的问题是随着时间的推移误差会越来越大;开路电压标定法的问题是电池需要在静置很长时间后的开路电压对应的SOC才是准确的，电池组在充放电过程中采集的电压用来标定SOC是不准确的。

2.软件设计注意事项

（1）抗干扰性。①对冗余信号的过滤。事件的触发条件必须连续的、真实的，这样就要求在做软件时，数据采集要加滤波;告警状态更新要有延时确认，但也不能失去实时性，例如绝缘故障，响应要求准确和快速。所以在软件设计时，要掌握这个度。

②强大的容错机制。系统不能因为某次出错或者故障而停止工作，软件设计时，要建立强大的错误处理机制，应统计错误，尝试恢复。

（2）灵活性。由于BMS系统应用环境的复杂性和多样性，所以在软件设计上，要足够灵活，增加大量的配置项。

四、系统设计

（1）BMS系统最主要作用就是保护锂电池组的安全运行，延长电池组的使用寿命。所以在系统设计之初就要有多重的保护的机制，现在最流行的策略是三重保护机制。一级保护由EMS控制降功率，延长电池组的充放电时间;二级保护由PCS停止充放电;三级保护BMS断开动力回路。

（2）而为了安全起见，应该考虑到在BMS软件失效的情况下，其他措施保障系统安全。首先，增加硬件保护，软件失效时，硬件保护也能保障系统安全。

五、结语

目前，能源消耗备受国家关注，人们在不断寻求可再生的绿色能源代替传统的一次性能源。锂电池在充电和使用过程中无污染，必将成为能源发展的首要趋势。BMS是新能源汽车和储能方面必备的重要零部件！可以说，电池管系统的发展必将带来新能源产业的巨大改变。

参考文献：

[1]任哲，等.嵌入式实时操作系统 μC/OS-II原理及应用.北京：北京航天航空大学出版社，2009.

[2]宫学庚，齐铂金，刘有兵，等.电动汽车动力电池模型和342估算策略[J].电源技术，2004，28（10）：633.