一种低成本的电池管理系统设计

周小岗 王文新

摘  要：近年来，随着新能源电动汽车推广应用，为了减少动力电池包的安全隐患，主要是内部电池的过充、过放、超温或过流等安全问题，文章设计了基于车规级芯片MC9S12G+MC33771的集中式电池管理系统（BMS），该系统具有较强的经济实用性。通过BMS测试和整车实际使用，该电池管理系统电压、电流、温度采集数据精度较好。通过设计完善的电池管理措施，可满足电动汽车功能安全需要，具有一定的实用价值。

关键词：电池管理系统;电动汽车;安全隐患;车规级

中图分类号：TM93     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0057-03

A Design of Low Cost Battery Management System

ZHOU Xiaogang， WANG Wenxin

（22nd Research Institute of China Electronics Technology Group Company， Xinxiang  453003， China）

Abstract： In recent years， with the promotion and application of new energy electric vehicles， in order to reduce the potential safety hazards of power battery packs， mainly safety issues such as overcharge， overdischarge， overtemperature or overcurrent of the internal battery， this paper designs a centralized Battery Management System （BMS） based on the vehicle specification level chip MC9S12G+MC33771. The system has stronger economic practicability. Through the BMS test and the actual use of the whole vehicle， the accuracy of voltage， current and temperature data collection of the Battery Management System is better. By designing perfect battery management measures， it can meet the functional safety needs of electric vehicles， and has a certain practical value.

Keywords： Battery Management System （BMS）; electric vehicle; potential safety hazard; vehicle specification level

0  引  言

随着新能源汽车产业猛速发展，特别是随着纯电动汽车保有量的增加，在市场上发现多起起火事故，導致社会对电动汽车产生了安全疑虑。电池管理系统（Battery Management System， BMS）作为纯电动汽车和混合动力汽车的关键零部件之一，是连接电动汽车和动力电池包重要神经中枢，检测电池单体或电池组电压、电流以及温度等实时信息，防止内部电池出现过充、过放、超温或过流等安全问题。BMS一旦出现问题，就可能对驾驶员甚至路人带来安全风险。

针对目前这种现状，设计一种基于恩智浦公司MC33771的电池管理系统方案，该方案能够精确测量电池电压，温度、电流等重要的锂离子电池特征参数，提供嵌入式均衡功能和丰富的系统诊断功能，从而化解锂离子电池相关的风险[1]。相比较同类的ADI（亚德诺）的LTC68xx系列和Maxim（美信）的178xx系列等只可测量电压和温度等电池参数，MC33711还具有一个同步电流感测、一个同步库伦计数，能针对BMS达到低BOM和开发成本，并达到高功能安全性的目标。下面首先总述BMS的系统框架，然后分别讨论电池电压采集、电流采集、温度采集，在此基础上阐述BMS对于电池参数的监控能力，最后通过实验验证该设计的正确性。

1  电池管理系统的系统框架

针对MC333771设计的低成本电池管理系统的系统框架图如图1所示。

图1  电池管理系统的系统框架

电池管理系统的系统框架主要包括采集模块、主控模块（MCU）、诊断模块、显示模块等四个部分。

首先，主控模块，即处理器模块，发送启动采集命令至采集模块，采集模块接收命令后，启动电池包单体电压、电流、温度等参数采集;然后采集模块在经过N次采集周期后，处理器模块从采集模块读取电池参数并将其送至诊断模块;再然后，诊断模块依据一定的判决规则，对采集到的单体电池参数进行分析处理，判断各单体电池工作状态信息，主要包含正常信息与故障信息，其中故障信息根据类别进行级别分类，一般为一级故障、二级故障和三级故障，三级故障最为严重，产生电池状态的故障信息转送至显示模块;最后，显示模块实时显示电池的工作状态信息，其中故障信息会触发供处理器模块启动相应安全保护措施，使电池包在各种工况下更安全地运行。

电池管理系统的采集模块、主控模块（MCU）、诊断模块和显示模块为一个有机整体，不仅能保护电池单体免受损坏，防止出现安全隐患，还可以使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命。

2  BMS系统模块设计及其实现

2.1  采集模块设计

采集模块的前端采集芯片采用MC33771系列芯片，该芯片能够采集14路单体电池电压，14路均衡通道，1路电池电流，7路温度等，能较易满足市面上许多电池管理系统的要求。本方案综合考虑成本等特点采用集中式BMS方案。对于三元锂动力电池包，单芯片14路可适用于48 V混合动力系统，双芯片28路可用于72 V/96 V电压平台低速电动车等。下面将详细说明相关采集电路的设计。

2.1.1  单体电压采集

电池单体电压采集通道电路如图2所示。

图2  单体电压采样通道

其中电容C1是防静电干扰电容，R1，C2和R2组成低通滤波器，其截止频率[2]为

（1）

其中式（1）中τ=R1×C2，该滤波器目的是抑制电池在充放电时在母线产生的RF射频干扰，保证单体电压测量的精度。

单体电压采集应实时准确，一方面需要判断电池单体是否存在过充或过放等问题，另一方面对比采集单体电池电压，计算最大压差，判断电池组是否需要开启均衡。

2.1.2  电流采集

电流采集通常使用分流器和霍尔电流传感器。相对于高精度的霍尔传感器而言，分流器具有相对较高的性价比，MC33771内部集成了独立的ADC，配合内置的库伦计数器，可以方便计算SOC（电池剩余电量百分比），另外电流通道配合合理的滤波器，可以设计出满足电池管理系统要求的高精度的电流采集通道。电流采集通道设计如图3所示。

其中C47，C48是抑制高频干扰电容。由于MC33771内部电流采样范围为±150 mV，极易受外部噪声电平影响，损坏内部采样ADC的输入端，所以必须加入D7和D8瞬态抑制二极管保护输入端口不受干扰，R56，R57，C49，C50，C51共同组成低通滤波器，抑制电流采样线带来的共模干扰和差模干扰。电流采集通道低通滤波器设计十分重要，否则电流采集数据不准确，造成电池包SOC计算产生错误，甚至会影响电池包正常输出功能。

图3  电流采样通道

2.1.3  温度采集

电池在正常充放电的过程中，由于连接处的接触电阻和电池内部电阻，由欧姆公式可知，电流通过时两种电阻将会产生热量。温度对锂电池包性能特别是安全性具有决定性作用，温度过低时电池包充电和放电性能均受到很大影响，温度过高时电池包寿命受到很大影响，甚至出现热失控等安全隐患。

因此温度的采集设计要求尽可能安全可靠，这是提高BMS有效预警的必要条件。电池温度采集通道的设计如图4所示。

图4  温度采样通道

其中Rx为NTC（负温度系数）热敏电阻，其中R42和Rx组成分压电路，R43和C56组成低通滤波器，滤除温度波动带来的干扰，MC33771通过GPIO1口采集电压就可以计算电池表面温度，进而为电池的热管理[3]提供依据。

2.2  主控模块设计

主控模块，即处理器模块（MCU），采用了恩智浦的车规级芯片M9S12G系列产品，MC9S12G系列是一个专注低功耗、高性能、低数量引脚的高效汽车级16位微控制产品[4]。处理器模块通过SPI（串行外设接口）将数据发送到隔离网络高速收发器MC33664。MC33664是双SPI模块，一路SPI将接收到的处理器模块的数据转化为差分正弦波输送至MC33771通信;MC33664同时将发出的正弦波差分信号再经过内部“解码”后通过另一路SPI送回处理器模块，然后判定该正弦波差分信号与其发出的原始信号是否相同，保证通信的可靠性。MC33771之间通过菊花链连接，处理器模块为每个MC33771赋予4 Bit地址码作为菊花链节点，该地址码用于从MC33771读取或诊断数据，而当需要唤醒、复位、启动采集时，只需要全局地址保证通信时效性。

当处理器模块接收到从MC33771收到的数据后，经过CRC校验，当校验通过后，数据送至诊断模块判定是否异常，不合理的数据予以报错提醒。处理器模块软件工作流程通过状态机实现，如图5所示。

图5  处理器软件工作流程

首先当处理器模块（MCU）处于待机状态，当MCU检测到钥匙启动信号，MCU唤醒后启动MC33771初始化，MC33771初始化包括MC33771软件唤醒，软件复位，然后赋予每个菊花鏈中MC33771节点ID。MC33771初始化模块在检测初始化未成功时，送至显示模块告知故障，初始化通过后进入数据采集流程，数据采集流程首先发送启动采集信号，在经过1 ms后，MCU从MC33771取数，在读取到正确的数据后并对该数据进行移动平均处理;再然后将该组数据送至MCU诊断;最后，一方面将诊断结果输送至显示模块;另一方面再次启动采集流程收集数据。

2.3  诊断模块设计

诊断模块主要是软件实现，如图6所示，以单体电压过压为例说明诊断流程。

图6  单体电压过压过压诊断流程

在实际BMS诊断过程中特别注意故障状态的诊断和恢复，当故障状态产生后，要对该状态的产生的物理量设置回差，防止故障产生重复恢复。另外为了防止判决过程中偶然的数据异常带来的干扰，还需要使用延时判决。

2.4  显示模块设计

显示模块通过上位机显示实现，BMS将采集的单体电压、充放电电流、电芯温度、故障状态通过CAN总线发送至上位机，CAN总线采用J1939协议实现数据传输。

3  BMS系统的实验验证

为了验证设计的可行性，采用了瑞能BMS测试系统，该系统包括虚拟电池单元、分流器电流模拟单元和温度模拟单元等功能模块，虚拟电池单元模拟电池电压范围为0～5 V，分流器电流模拟单元量程0～400 A，温度模拟单元量程-50～300 ℃。

连接所设计BMS与BMS测试系统，设置测试系统内虚拟电池电压值，模拟分流器电流值以及设定温度模拟单元温度值，从显示模块读取BMS采集数值，并与设定值进行比较。其中电池单体电压测试结果如表1所示。

由于篇幅的缘故，表1仅表示一些典型数据，测试结果表明电压误差为±1.5 mV，同时实测表明电流的误差±0.5 % FS，温度的误差为±1 ℃，能够满足低速电动车PACK保护需求和故障诊断需求[5]。

4  结  论

文章设计了基于车规级MC9S12G64和MC33771芯片的集中式BMS方案，满足低速电动车的功能安全需求，并实现了对PACK的电压、电流、温度的采集，具有通信显示功能。通过实际测试采集精度满足BMS国标要求。文章提供低成本BMS方案具有一定的实用价值，并且已经在低速电池包进行应用。

参考文献：

[1] 工业和信息化部人才交流中心恩智浦（中国）管理有限公司.电动汽车电池管理系统的设计开发 [M].北京：电子工业出版社，2018.

[2] NXP.Battery Control IC MC33771 Rev5.0_NDA [EB/OL].[2021-12-04]. https：//www.nxp.com/products/power-management/battery-management/battery-cell-controllers/14-channel-li-ion-battery-cell-controller-ic：MC33771C.

[3] 熊瑞.动力电池的核心算法 [M].北京：机械工业出版社，2018.

[4] freescale. MC9S12G Reference Manual [EB/OL].https：//pdf.ic37.com/FREESCALE_CN/MC9S12GA64_datasheet_12856293/MC9S12GA64_331.html.

[5] 全國汽车标准化技术委员会.电动汽车用电池管理系统技术条件：QC-T897-2011 [S].北京：中国计划出版社，2012.

作者简介：周小岗（1986—），男，汉族，河南新乡人，工程师，硕士研究生，研究方向：BMS产品研发;王文新（1986—），男，汉族，甘肃陇南人，工程师，硕士研究生，研究方向：BMS产品研发。