王 鵬 ，劉宇建 ，，黃日帆 ，，王 帥 ，范麗波 ，陳建明

（1.許昌學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 許昌461000；2.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045；3.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌461000）

2014年以來，我國純電動汽車市場發(fā)展迅速，按照動力電池平均4-6年的使用壽命來算，2018年將面臨首批動力電池的集中大量退役[1]，根據(jù)研究機(jī)構(gòu)EVTank聯(lián)合伊維經(jīng)濟(jì)研究院，發(fā)布的回收拆解及梯次利用行業(yè)白皮書的數(shù)據(jù)，預(yù)計到2020年國內(nèi)汽車動力電池回收量將達(dá)到25.7萬噸，總體市場規(guī)模將達(dá)到66.8億元，且梯次利用的市場規(guī)模遠(yuǎn)大于拆解利用。

純電動汽車的發(fā)展，推動著鋰離子電池的推廣與應(yīng)用，鋰離子電池作為其動力源，循環(huán)使用達(dá)到一定次數(shù)，由于自身性能的衰減，將達(dá)不到動力電池的要求，無法繼續(xù)作為電動汽車動力源使用。如果將其廢棄將對環(huán)境造成極大污染。因此，對其殘值進(jìn)行最大化利用，仍具有很大的經(jīng)濟(jì)價值。其中，將退役的動力鋰離子電池進(jìn)行回收、篩選并作為其他動力源使用是目前備受關(guān)注的研究熱點[2]。就退役動力電池的梯次利用來說，它一方面可以作為儲能電池使用。例如，中國鐵塔公司早在2015年就在部分省市建立了電池回收試驗點，并長期采購?fù)艘蹌恿﹄姵?。此外，深圳市已?jīng)出臺了動力電池監(jiān)管和回收利用試點工作方案。另一方面，它可以作為其他動力源，如，作為低速低電類小型乘用車或自行車等的動力源。那么，針對上述新的應(yīng)用領(lǐng)域，退役動力鋰離子電池原有的BMS[3]將失效，需重新匹配BMS.但常規(guī)BMS不具備PDA顯示。然而，退役鋰離子動力電池的梯次利用后的安全又需要得到保障及監(jiān)控。因此，設(shè)計出一個直觀的、實用的，適用于不同電池材料的可視化BMS顯然具有重要研究意義及應(yīng)用價值。

1 BMS結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定，BMS的主要功能包括：采集單體電池電壓、多點采樣電池組工作溫度、采集電池組電壓、電流、估算電池組剩余電量（SOC[4]），與其他控制器進(jìn)行總線通信。除了上述主要功能外，為了更好地實時監(jiān)測鋰離子電池狀態(tài)，對其充放電以及不同電芯電壓的均衡管理而實現(xiàn)延長電池循環(huán)壽命的目的，設(shè)計的可視化BMS，配有PDA終端，增加了數(shù)據(jù)傳輸及電池均衡的管理功能。

BMS系統(tǒng)框圖、未封裝地實物圖及PDA顯示界面分別如圖1、圖2及圖3所示。BMS系統(tǒng)主要包括三個主體模塊：（1）數(shù)據(jù)采集模塊包括：充放電電流檢測、單體電壓及總壓檢測、剩余電量（SOC）計算、多點區(qū)域溫度采集等。屬于BMS的基礎(chǔ)應(yīng)用模塊。（2）保護(hù)模塊包括：過充、過放保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、高溫保護(hù)等。其職能是為了確保鋰離子電池正常工作而采取的安全措施。此外，還采用了通過電阻放電的被動均衡方式來減少電池壓差，實現(xiàn)鋰離子電池的電壓均衡。（3）通信控制模塊包括：通過藍(lán)牙，實時傳輸電池組電壓、電流等狀態(tài)信息到PDA上。通過觀察判斷或預(yù)警信號，操作員可以直接在PDA輸入控制信號，實現(xiàn)MOS管開閉，繼而控制電池充放電。與汽車通信中常用的CAN[5]通信相比更加便捷、直觀及可控。

圖1 BMS系統(tǒng)框圖

圖2 未封裝的BMS實物圖

圖3 PDA顯示界面

2 BMS硬件設(shè)計

BMS硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，對于整個管理系統(tǒng)的設(shè)計而言，硬件電路設(shè)計是其核心部分。設(shè)計的主要任務(wù)是通過硬件電路實現(xiàn)對整個電池系統(tǒng)的管理控制。本設(shè)計采用STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心硬件，主要任務(wù)是接收從STM8單片機(jī)采集的電壓電流數(shù)據(jù)、區(qū)域溫度、SOC計算、充放電控制以及和PDA數(shù)據(jù)的交互。

圖4 BMS硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電壓信息采集

BMS功能中很重要的一環(huán)就是電壓信息采集，由于鋰離子電池組數(shù)量多，單片機(jī)引腳有限，因此單片機(jī)的輸入需要串行輸入并行輸出轉(zhuǎn)換芯片。BMS電壓采集電路如圖5所示。本設(shè)計中采用多個74HC595D擴(kuò)展芯片，把24路電壓信息連接到單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換通道，計算得到每組電壓值。

圖5 BMS電壓采集電路

2.2 藍(lán)牙傳輸與控制

如圖6所示，無線藍(lán)牙控制芯片采用QN9021，功耗低，適用于短距離無線通信組網(wǎng)領(lǐng)域。在BMS中增加QN9021藍(lán)牙模塊，將主控芯片的串口信息轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙信息傳輸，BMS對鋰電池的檢測信息可以通過藍(lán)牙傳輸至PDA界面顯示電池的狀態(tài)，豐富了顯示的內(nèi)容和外觀效果，電池狀態(tài)更加直觀地展示出來。

3 BMS軟件設(shè)計

圖6 BMS藍(lán)牙傳輸電路

BMS的軟件設(shè)計是在硬件電路基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過對需求的分析，首先確定軟件設(shè)計要實現(xiàn)的功能和目的，包括系統(tǒng)各軟件模塊的劃分和程序整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。主控芯片采用STM32單片機(jī)，C語言編寫，軟件采用模塊化程序設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)具有的功能分為若干子程序，其中包括：ADC數(shù)據(jù)采集子程序、SOC估算子程序、充放電MOS管控制子程序、藍(lán)牙傳輸子程序、溫度采集子程序等，其程序流程如圖7所示。

圖7 BMS主程序流程圖

上電之后，BMS進(jìn)入自檢來檢測硬件是否正常，包括檢測MOS管通斷狀態(tài)、藍(lán)牙連接狀態(tài)、主控及從控芯片工作狀態(tài)。如果有任何不正常情況，都會關(guān)斷總正MOS管開關(guān)。自檢完成之后，每隔500 ms循環(huán)檢測一次電池組電壓、溫度、電流等信息，并通過藍(lán)牙與PDA通信。檢測過程中，如果電壓、電流、溫度值超過過流保護(hù)或者過壓保護(hù)的預(yù)設(shè)值，則采用中斷的方式對電池組軟硬件進(jìn)行保護(hù)，伴隨有蜂鳴器報警。充放電MOS管開關(guān)的信息及時反饋到PDA.藍(lán)牙模塊采用單獨(dú)的IO口傳輸數(shù)據(jù)，光耦隔離的方式避免了信息傳輸過程中的干擾。

4 BMS性能實測

為了檢驗設(shè)計的BMS的功能與穩(wěn)定性，以電池電壓監(jiān)測為例，對靜置及運(yùn)動狀態(tài)下梯次利用的退役鋰離子電池進(jìn)行了一系列關(guān)于電池電壓管理的數(shù)據(jù)檢測。

首先，在不同時間監(jiān)測了靜置狀態(tài)下單節(jié)電池的電壓，如圖8所示。實際測試采用10串5并18650，標(biāo)稱電壓36 V圓柱形鋰電池，額定容量11AH，在靜置狀態(tài)和騎行過程中獲取數(shù)據(jù)，隨機(jī)挑選5組單節(jié)電池數(shù)據(jù)。S代表實測值，X代表PDA顯示值。同時，又對該電池包在不同時間節(jié)點處的總電壓進(jìn)行監(jiān)測，如圖9所示。從該圖中可以看出，電池靜置，實測總壓值比顯示值略高；各個單節(jié)電池電壓，顯示值比實際測量值基本持平，誤差維持在3%范圍內(nèi)。值得注意的是，由于鋰電池本身的性質(zhì)，電壓值存在輕微波動，屬于正?，F(xiàn)象。

圖8 靜置狀態(tài)下單節(jié)電池電壓

圖9 靜置狀態(tài)下電池總壓

然后，又對運(yùn)動狀態(tài)下，不同時間節(jié)點處，電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測。如圖10所示，在電池長時間使用狀態(tài)下PDA顯示的單節(jié)電池放電數(shù)據(jù)，與實測數(shù)據(jù)幾乎保持一致。如圖11所示，PDA顯示總壓值比實測值略高，這種誤差波動在電池使用過程中屬于正?，F(xiàn)象。通過上述測試結(jié)果的檢驗以及關(guān)于電池電流及溫度的監(jiān)測的綜合結(jié)果來看，設(shè)計的BMS完成了所有的預(yù)設(shè)功能，且性能穩(wěn)定可靠。

圖10 運(yùn)行狀態(tài)下單節(jié)電壓

5 結(jié)束語

為了提前防范和規(guī)避在退役動力鋰離子電池的梯次利用過程中存在的安全隱患，設(shè)計了具有藍(lán)牙傳輸和控制功能的可視化BMS.硬件方面，綜合考慮IO配置及主控芯片的數(shù)據(jù)處理速度，采用STM32作為主控芯片，在此基礎(chǔ)上設(shè)計外圍電路并模塊化測試。程序通過KEIL5編譯軟件，通過模塊化的方式，在各個基礎(chǔ)功能實現(xiàn)之后實現(xiàn)整合。經(jīng)450天使用后發(fā)現(xiàn)，此管理系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了電壓、電流、溫度等常規(guī)檢測，性能穩(wěn)定。與常規(guī)BMS相比，本設(shè)計在傳輸和控制方面更具有優(yōu)勢。通過PDA顯示，藍(lán)牙傳輸，實現(xiàn)實時控制電池充放電、電池保護(hù)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)檢測等。本設(shè)計小巧、直觀、操作便捷、實用性更強(qiáng)的產(chǎn)品，具有非常廣闊的應(yīng)用空間和市場。