江可揚(yáng)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北武漢，430064）

0 引言

隨著新能源快速發(fā)展與應(yīng)用，鋰離子動(dòng)力電池船舶越來越多地出現(xiàn)在內(nèi)河及近海。船艙工作環(huán)境和工作條件復(fù)雜，環(huán)境溫度、濕度、氣壓、腐蝕、振動(dòng)和沖擊、輸入和輸出功率的突變和靜態(tài)放置等方面的變化對(duì)動(dòng)力電池提出了挑戰(zhàn)。而且由于單體鋰電池一致性差，工作發(fā)熱等原因都會(huì)造成安全隱患。所以動(dòng)力電池組需要電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池組狀態(tài)，安全、可靠和準(zhǔn)確地控制電池組充放電和安全保護(hù)。

很多公司和團(tuán)隊(duì)也自主研發(fā)電池管理系統(tǒng)?，F(xiàn)有的產(chǎn)品中，多以意法半導(dǎo)體公司的STM32F 系列ARM 芯片作為控制核心，ADI 公司的電池監(jiān)控芯片作為前端芯片。國(guó)外電子元器件的產(chǎn)能、供貨周期、停產(chǎn)等都會(huì)影響電池管理系統(tǒng)的生產(chǎn)和使用[1]。設(shè)計(jì)一款性能滿足船用需求的基于國(guó)產(chǎn)化器件的電池管理系統(tǒng)有著必要性和緊迫性。

本文將詳細(xì)闡述國(guó)產(chǎn)化電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

1 模塊框架設(shè)計(jì)

綜合考慮兼顧成本、開發(fā)難度、拓展性等，電池管理系統(tǒng)的功能在硬件上分為控制板和采集板，采用分離設(shè)計(jì)，分別命名為ВMU和ВCU。電池管理系統(tǒng)功能框圖如圖1所示[2]。

圖1 BMS 樣機(jī)連接框圖

ВMU 模塊負(fù)責(zé)電池組電壓采集，電池組電流采集，電池組絕緣檢測(cè)，通過1 路CAN 與ВCU 單元通信，1 路CAN與外部上位機(jī)通信，傳輸電池組相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

ВCU 模塊負(fù)責(zé)單體電池電壓采集，單體電池溫度采集，開關(guān)控制輸出，通過CAN 總線連接ВMU 模塊傳輸相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

ВCU 和ВMU 模塊控制核心均選擇華大半導(dǎo)體公司的ARM 芯片HC32F4A0 系列芯片。HC32F4A0 系列芯片是ARMv7-M 架構(gòu) 32bit Cortex-M4 CPU，集成FPU、MPU，支持SIMD 指令的DSP。最高工作主頻 240MHz，達(dá)到300DMIPS 或825Coremarks 的運(yùn)算性能ВMU 模塊中，A/D 芯片選擇核心互聯(lián)的CL1606，8 通道，16 位精度。ВCU模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 BMU 模塊設(shè)計(jì)框架

ВCU 模塊中，電池監(jiān)控芯片使用杰華特公司JW3302。JW3302 通過SPI 協(xié)議與ARM 通信，溫度檢測(cè)模塊使用ARM 芯片內(nèi)部AD 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ARM 芯片控制均衡單的MOS管控制電池的電壓均衡。ARM 芯片通過CAN 通訊與主模塊或上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。ВCU 模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 BCU 模塊設(shè)計(jì)框架

圖4 絕緣監(jiān)測(cè)電路

2 BMU 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 電池組電壓電流采集電路

電池組電壓經(jīng)過電阻分壓后（本文中，分壓到2/1000），輸入到隔離運(yùn)放NSI1311-DSWVR，該運(yùn)放為納芯微公司生產(chǎn)的隔離運(yùn)放，固定增益為1，差分輸出，隔離電壓達(dá)5000V。運(yùn)放差分輸出接到ADC 芯片CL1606。CL1606 采集位數(shù)達(dá)16 位。CL1606 采集到的數(shù)據(jù)直接通過16 位數(shù)字輸出接口與ARM 連接，ARM 收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

電池組電流經(jīng)傳感器變換為電壓信號(hào)，經(jīng)過共模濾波器和磁珠濾波后，通過電阻分壓（本文中，分壓到2/5）給到A/D 芯片CL1606，模數(shù)轉(zhuǎn)換后給到ARM 處理數(shù)據(jù)。

電阻分壓的比例，可以根據(jù)不同電池組型號(hào)，進(jìn)行修改，保證合適測(cè)量范圍和精度。

■2.2 絕緣監(jiān)測(cè)

通過打開和關(guān)閉2 個(gè)繼電器，檢測(cè)電池組電壓變化，計(jì)算出電池組正負(fù)極絕緣阻值。

3 BCU 硬件電路設(shè)計(jì)

■3.1 電源電路

充分考慮電磁兼容性，輸入濾波電路設(shè)計(jì)如圖5 所示，有壓敏電阻，電壓瞬態(tài)抑制器，以及共模濾波器，MOS 管和電阻R333、R337 構(gòu)成防反接電路，防止電源接線誤接；F1 為熔絲，提供短路或嚴(yán)重過載保護(hù)。

圖5 電源輸入電路

圖6 JW3302 外圍電路

圖7 溫度采樣電路

系統(tǒng)供電采用電池組取電方式，選擇金升陽DC/DC 電源模塊URВ4812YMD-20WR3，輸入電壓范圍18～75V，覆蓋電池包電壓變化范圍。

■3.2 電壓檢測(cè)模塊

電池的電芯電壓與電池管理系統(tǒng)的SOC精確估算息息相關(guān)，同時(shí)是判斷鋰電池充放電程度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是電池主動(dòng)均衡的重要參考條件之一，關(guān)系到電池的使用壽命，為了預(yù)防嚴(yán)重過充，電壓數(shù)據(jù)采集要精準(zhǔn)、快速。

JW3302 芯片具有12-bit VADC 用于采集電芯電壓，共有14 路電壓采集通道，內(nèi)置均衡開關(guān)，適用于總壓在8～60V 的電池包。測(cè)量誤差小于1.22mV，可在1.28ms 內(nèi)完成14 路的電壓測(cè)量及SPI 傳輸。

船用鋰電池型號(hào)種類多，大多數(shù)鋰電池電芯數(shù)集中在8-24 節(jié)的范圍內(nèi)。單個(gè)JW3302芯片最多監(jiān)測(cè)14 個(gè)電芯，為了兼容多種鋰電池，設(shè)計(jì)采用2 個(gè)芯片串聯(lián)的方式，使設(shè)計(jì)最多可以監(jiān)測(cè)28 個(gè)電芯?；靖采w市場(chǎng)所有鋰電池。

■3.3 溫度檢測(cè)模塊

鋰電池溫度的過低或過高會(huì)直接影響性能甚至危及安全。鋰電池能保持良好工作性能的溫度范圍為 0℃～40℃區(qū)間內(nèi)。溫度過低會(huì)降低電解液和鋰離子的活性，若長(zhǎng)時(shí)間處于低溫環(huán)境下，電池正電極會(huì)析出金屬鋰，給電池造成不可修復(fù)性損害。溫度過高更容易出現(xiàn)安全隱患，當(dāng)溫度超過 45℃時(shí)，破壞化學(xué)平衡，電池材料迅速退化，整個(gè)電池會(huì)脹氣鼓包，嚴(yán)重時(shí)隔膜變形，導(dǎo)致內(nèi)部電解液滲出產(chǎn)生爆炸[4]。

ВCU 模塊設(shè)計(jì)了24 路溫度采集以滿足使用要求。ВCU模塊安裝位置與NTC 熱敏電阻空間距離較近，且路數(shù)多，綜合考慮使用如圖4 所示的分壓原理電路，計(jì)算熱敏電阻上的壓降，從而計(jì)算出溫度。

HC32F4A0 系列芯片支持最多3 路ADC，芯片資源無法同時(shí)完成24 路溫度采樣。增加外部AD 芯片，同時(shí)提升了成本及模塊尺寸?？紤]到電池管理系統(tǒng)對(duì)溫度采樣的精度和實(shí)時(shí)性要求不高，文中采用8:1 多路選擇器，將24 路溫度分成3 組，每組8 路，通過ARM 輸出3 位地址進(jìn)行通道選擇，通過輪巡的方式循環(huán)讀取8 路溫度。此方案在速度、精度和成本中找到了平衡點(diǎn)。通過公式得到電阻值。其中N 為ARM 的AD 采樣原始值。

■3.4 均衡模塊

電池的過充過放是造成其快速老化的原因之一。所以在電池充放電過程中需要電壓均衡，讓各個(gè)電池組的電壓一致，才能有效長(zhǎng)久地使用電池。電池組均衡方式有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。主動(dòng)均衡有4 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、DC/DC 變換器型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電感型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在電芯級(jí)采用主動(dòng)均衡效率不高，且外圍電路復(fù)雜，成本高[5]。本文選擇被動(dòng)均衡，使用電阻發(fā)熱的形式將電壓高的鋰電池電量放掉，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

為了綜合利用光耦的隔離，以及MOS 管的輸出特性。文中選擇Photo MOS 進(jìn)行開關(guān)控制。通過ARM 的IO 引腳，選擇高電壓的電芯放電。

4 電池管理系統(tǒng)PCB 設(shè)計(jì)

在ВMU 和ВCU 模塊的PCВ 設(shè)計(jì)中，需要考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。

敏感器件放置在電路板當(dāng)中位置，濾波電容放在被濾波器件的相應(yīng)引腳附件，或在共模電流泄放的路徑中。電源層在保證沒有串?dāng)_發(fā)生的情況下盡可能地大，電源層盡量做到與地層相鄰，增加電源平面與地平面之間的層間電容，可去高頻耦合。特殊信號(hào)線如時(shí)鐘信號(hào)、高速信號(hào)、敏感信號(hào)等布線要注意方法。所有的空置區(qū)域都要鋪銅處理[6]。

ВMU 和ВCU 模塊實(shí)物如圖8，圖9 所示。為了測(cè)試方便，設(shè)計(jì)中選擇了3.5mm 寬間距連接器，后續(xù)改版中會(huì)修改為排線或矩形連接器。

圖8 BMU 實(shí)物圖

圖9 BCU 實(shí)物圖

5 試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)中，對(duì)ВMU 和ВCU 的采樣精度進(jìn)行測(cè)量，并重點(diǎn)關(guān)注了電芯電壓采樣精度。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，電芯電壓的測(cè)試中，使用高精度萬用表測(cè)量每一路電壓實(shí)際值，與ВCU 模塊測(cè)量值相減。如圖10 所示，3 組24 路電芯采樣，誤差在±4mV 以內(nèi)。

圖10 電芯電壓測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于國(guó)產(chǎn)電子元器件的電池管理系統(tǒng)，采樣精度不弱于使用進(jìn)口電子元器件的原系統(tǒng)。精度指標(biāo)滿足船用電池管理系統(tǒng)一般要求。

但本文中所進(jìn)行的試驗(yàn)，全部在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行。裝入電池包后，在復(fù)雜的溫度、濕度、電磁干擾環(huán)境下能否穩(wěn)定運(yùn)行，還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

6 結(jié)論

本文梳理了電池管理系統(tǒng)的功能劃分，介紹了ВMU 和ВCU 模塊的功能組成，詳細(xì)說明了國(guó)產(chǎn)電子元器件的選型，以及關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)。并著重介紹了PCВ 板的電磁兼容設(shè)計(jì)。實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于國(guó)產(chǎn)電子元器件的電池管理系統(tǒng)在性能指標(biāo)上滿足需求，為今后進(jìn)一步的試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。