BMS技术在创新实践教学中的应用

雷钢 陈俊民 赵宏阳

摘 要：BMS电源系统是电气汽车核心技术之一，讨论以STM32F103C8T为主控芯片、BQ76940为电池管理芯片的BMS系统，由BQ76940芯片进行电压值、电流值、内阻、温度等电源信息的采集，传输至主控芯片STM32F103C8T6中，采用的算法是卡尔曼滤波算法进行运算，运算完后的数据储存到现数据池中和秤值相比较最后发出相应的动作信号给串口。采样芯片和主控芯片分开工作互不影响，提高了SOC估算精度，降低了出错几率。

关键词：BMS;SOC;卡尔曼滤波算法

电动汽车整机由电池、电机、BMS电源管理系统等三个核心技术组成，电池管理系统（BMS）作为实时监控、自动均衡、智能充放电的主控，起到安全保护、延长电源的寿命、估算剩余电源电量、检测电源的温度、以及工作状态是否正常等重要功能，新能源汽车电源系统中必不可缺的重要部分，通过BMS系统的一系列的管理和控制，以保障电动汽车在使用中的正常运行，增加使用者的安全系数。BMS电源管理系统核心技术国内外许多新能源汽车企业都是将电池管理系统（BMS）作为企业最核心的技术来看待，在2008年-2015年期间特斯拉所申请的核心知识产权大都与电池管理系统相关，由此可见电池管理系统对于新能源汽车的重要性无可取代。可以说谁掌握了BMS电源管理系统的技术核心，谁就能抢先占领新能源汽车的市场，在我国许多汽车品牌的行业也在研究BMS电源管理系统比如“宝骏”“比亚迪”“帝豪”“北汽威旺”可见市场的可挖掘性。从现状就可以看出来，未来的BMS必将占领汽车市场的一大片领域，不管是从社会环境、实用性，还是各方面EMS都终将是发展的方向。但是BMS也有挑战的方面，对于电池系统的管理安全方面是一个非常大的问题。在国家大力提倡大学生创新创业的大背景下，高校积极开展大学生创新创业教育，提出了BMS电源管理系统研究项目，获得了校创新创业项目立项。

1 BMS系统设计

BMS电源管理系统，是作为汽车电源系统与用户之间的相互交流信息的“介质”，它主要是为了保护电源，提高电源的安全性和高效率，防止电源发生过分充电或者是过分放电的情况发生，对汽车电源的使用寿命起到延长的作用。

BMS系统主要有以下几个功能：

（1）电源工作状态实时监控：这个功能主要是对电池工作过程中对电源的电压温度工作电流和电池的，剩余，电量等一系列数据进行实时监控或者是相应的计算，然后根据这些数据判断电池的状态做出相应的反应，这个功能主要是提电池的安全性，防止充电时过充，或者是工作状态下过放。

（2）短路保护：短路保护主要是对电源在工作状态下出现了几种情况进行及时的切断电路，或者是跳闸。系统在工作状态下有很多的不稳定因素，这些因素有可能导致电源两端电压增大或者是过滤红出现短路的情况等等，这时候就需要短路保护，做出相应的反应，以防止过大的损失或者发生危险。

（3）电源充放电保护：当电源电量，使用完的时候你就需要充电，这时候你充电不可能时时都在电源旁边看着你就需要有一个自动看管充电的装置来替代你看管电源，当电源充满电时需要自动跳开，当电源电量即将用到低于限定电压时，自动提醒并断路来保护电源，防止受损。

（4）温度检测：在日常生活中，你会发现电池在冬天时候没有夏天耐用。这就是因为温度对电池内部存储电荷量的影响，当温度低时，充电慢存储，电荷量少，而且容易发生一些事故。例如电压，供不上电流不够，或者说出现暂时性的没有电压没有电流。这时候就需要温度检测，然后对电源进行实质性的检测数据集中后进行运算做出相应的动作。例如，夏天时候温度高在行驶过程中电源可能会发热，这时候就需要检测到高温情况下，系统立马做出反应，降低电源温度，保证电源的安全。

BMS电源管理系统主要有以下几个模块：

（1）电源电路保护模块：任何系统的安全性都要放在第一位，这是最为重要的一个模块。这个模块通常是采用软件控制和一些外部器件来实现的，例如通过信号控制，继电器或者是mos管来通断电路，实现短路的保护。

（2）信号采集模块：这部分主要是由各类传感器对电源进行数据的实时测量，然后反馈到处理芯片生成数据群进行运算供给主系统进行判断，然后做出相应的动作。他测量的主要数据是电池组的电压充电时的电流放电时的电流运行时的电压温度等，参数通常采用的处理方式是隔离处理。

（3）均衡电路模块：这个模块主要是对电源组单体电压的采集，并进行单期间的均衡充电是电源类的电池达到均衡统一的状态，现在有主动均衡和被动均衡那两种方式，这两种方式也可称之为无损。

（4）下位机模块：下位机模块主要是对信号进行处理控制，然后进行主控板和外部的器件间的通讯。

本设计系统的数据处理SOC的运算方法采用的是卡尔曼滤波算法，运算框图1所示，系统数据的运算流程如上所示，信号由信号采集系统采集，然后进行筛选合格的信号传送储存到相应的数据池MCU进行运算，运算完的数据和开始设定的数据相对比做出相应的反映信号发送给相应的外设端口，实现数据的处理和运用。当然这只是数据和模块之间的数据处理，程序的编写也和这有很大的关联。

2 主控芯片的选择

采用的主控芯片型号是STM32F103C8T6，选择这个芯片的原因有以下几点：

（1）高达 72Mhz 工作频率，COS运算需要高频的工作频率，这样才能运算的过来。

（2）54K 字节的 Flash 闪存程序存儲器，因为程序牵涉到的外部端口很多，写的程序需要有大的闪存地方才能够下载。

（3）多达 64K 字节的 SRAM。

（4）支持调试（SWD）和 JTAG 接口调试，SOC估算需要使用在线调试，这样会给我们节省非常多的时间让我们更容易对系统进行控制和调试。

综合对比，选定了STM32F103C8T6，性能和功能跟得上，价格适宜。

电池管理芯片为BQ76940，它可以同时最多监控15串电池，支出多达 3 路温度检测，保护功能包括：放电过流、短路、单体过压、欠压。纯数字 IIC 接口（循环冗余校验 CRC）3.3V或2.5V 稳压器输出。另外两个模块的芯片为，串口芯片 MAX485， CAN 芯片 SN65HV230。

3 程序设计与算法

采用模块化编程方法，程序流程图如图2所示。模块化运行程序特点：

（1）使用谁调用谁，能够节省大量的运行内存，提高CPU的使用效率，减少芯片的发热情况变相的延长芯片的寿命。

（2）使用编程语言里边的选择语言分模块的地进行编程，对每个模块进行编号，能够实现主程序和模块程序相互配合的运行，这样就会极大的提高CPU效率的利用率。

（3）分模块写的每个模块都有不同的編号，方便调试能够快速找出问题模块，极大的提高你的编程速度和效率。

4 仿真运行

采用美国MathWorks公司生产的商业数学软件MATLAB进行仿真运行。MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算的高级技术计算语言和交互环境，Simulink模块是MATLAB中的可视化仿真工具，是基于MATLAB的框图设计环境，是动态系统建模、仿真和分析的软件包。它广泛用于线性系统、非线性系统、数字控制和数字信号处理的建模和仿真。Simulink为动态系统建模、仿真和综合分析提供了一个集成环境。在这种环境下，不需要编写大量的程序，只需要简单直观的鼠标操作就可以构建复杂的系统。

5 结束语

基于STM32F103C8T的BMS电源管理系统能够完成实时监控、自动均衡、智能充放电的主控，起到安全保护、延长电源的寿命、估算剩余电源电量、检测电源的温度、以及工作状态是否正常等重要功能，新能源汽车电源系统中必不可缺的重要部分， 其管理和控制功能，保障了电动汽车在使用中的正常运行，增加使用者的安全系数。同时，通过本次创新实践活动，使得项目组成员对BMS技术有了一个更全面和深刻的认识，完成了一次技术创新实践。

参考文献：

[1]石晶，李运杰，程浩.动力电池组均衡充电的研究[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2013（02）.

[2]李玲玲，顾训华，马东娟，杨春稳.一种矿用大功率应急电源及其充电电路设计[J].煤矿安全，2012（03）.

[3]谭泽富，孙荣利，杨芮，何德伍.电池管理系统发展综述[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019（09）.

[4]张新丰，杨殿阁，薛雯，陆良，连小珉.车载电源管理系统设计[J].电工技术学报，2009（05）.

[5]陶银鹏.纯电动汽车分布式电池管理系统的设计与实现[J].汽车技术，2013（11）.

（项目来源：郑州工程技术学院 2020年大学生创新创业训练计划 项目编号：202011068032，项目名称：基于“互联网+”的电源管理系统研究）

作者简介：雷钢（1979-），男，河南郑州人，硕士，副教授，主要研究方向：电子与通信工程。