航芯技術(shù)分享 | BMS專(zhuān)題之BMS基礎(chǔ)功能模塊概述

發(fā)布時(shí)間:2022-02-11

BMS（電池管理系統(tǒng)）的功能模塊由微控制器（MCU）的控制模塊和模擬前端（AFE）的傳感模塊組成。

微控制器單元（MCU）

在BMS中，MCU相當(dāng)于大腦。MCU通過(guò)其外圍設(shè)備從傳感器捕獲所有數(shù)據(jù)，并根據(jù)電池組的配置文件處理數(shù)據(jù)以做出適當(dāng)?shù)臎Q策。

上海航芯通用MCU ACM32F0系列以其低功耗+1路CAN+10萬(wàn)次擦寫(xiě)128K 片上Flash+125度高溫支持；ACM32F4系列以其180MHz STAR-MC1(M33)內(nèi)核+Flash加速+10萬(wàn)次擦寫(xiě)512K片上Flash+2路CAN+125度高溫支持被廣泛應(yīng)用在BMS場(chǎng)景中。

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MCU具有以下功能：

? 監(jiān)控電池

? 保護(hù)電池

? 評(píng)估電池狀態(tài)

? 優(yōu)化電池性能

? 數(shù)據(jù)記錄

? 通過(guò)通信渠道向用戶或外部設(shè)備報(bào)告

為了電池安全，MCU具有以下功能：

? 通過(guò)停止充電的方式，防止電池組內(nèi)的電池單元進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)（向接觸器發(fā)出關(guān)閉信號(hào)）。

? 通過(guò)減少/停止電流或激活電池組中的冷卻系統(tǒng)來(lái)防止電池組內(nèi)的電池單元溫度超過(guò)閾值上限。這可以保護(hù)電池，以免受熱失控而造成安全問(wèn)題。

? 通過(guò)限制/停止放電電流來(lái)防止組內(nèi)電池單元進(jìn)入欠壓狀態(tài)。

? 通過(guò)打開(kāi)接觸器來(lái)保護(hù)電池組免受短路和過(guò)載的影響。

與MCU連接的BMS基礎(chǔ)功能模塊

MCU會(huì)與多個(gè)功能塊連接，例如：

1. 霍爾效應(yīng)電流傳感器（Current Measurement）

2. 電源（Power Supply Unit: PSU）

3. 接觸器（Contact Drive）

4. SD卡（Data Storage）

5. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷（RTCC）

6. GPIO 連接器

7. CAN 連接器

8. 藍(lán)牙（BLE）

9. 高壓聯(lián)鎖回路（HV Interlock Loop）

10. 絕緣監(jiān)測(cè)裝置（Insulation Monitoring Device : IMD）

11. 電壓測(cè)量端口（Voltage Measurement）

12. ISO-SPI 通道

1. 霍爾效應(yīng)電流傳感器（Current Measurement）

霍爾效應(yīng)傳感器放置在由承載電池組電流的電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)內(nèi)。它產(chǎn)生與該電流成正比的電壓，該電壓可以直接測(cè)量，如下圖所示。

霍爾效應(yīng)傳感器具有以下特點(diǎn)：

? 霍爾效應(yīng)傳感器報(bào)告的電流隨時(shí)間和溫度保持準(zhǔn)確。

? 霍爾效應(yīng)傳感器與電池組電流隔離，因此不需要隔離。

? 霍爾效應(yīng)傳感器在電流為 0 時(shí)存在一個(gè)隨溫度變化的偏移量。所以，即使它們?cè)谑覝叵職w零，當(dāng)它們變熱或變冷時(shí)，仍可能在沒(méi)有電流時(shí)報(bào)告一個(gè)小電流。因此，在具有 0 電流周期的應(yīng)用中需要頻繁校準(zhǔn)，例如HEV。

霍爾效應(yīng)電流傳感器是包含自身放大器的模塊，因此，與斷流信號(hào)不同，其輸出值處于一個(gè)較高的水平。它們可以由 5V 雙向電源供電（可以看到充電和放電電流）。

基于此，雙向傳感器會(huì)有一個(gè)雙極的輸出，在其輸出為2.5V時(shí)可認(rèn)為電流為0A，實(shí)際輸出值將在2.5V上下擺動(dòng)。電流傳感器產(chǎn)生的電壓輸出將其發(fā)送回 BMS，BMS將根據(jù)電流傳感器的靈敏度估算實(shí)際電流。

2. 電源（Power Supply Unit: PSU）

MCU的工作需要有電源輸入，可由輔助電源或電池組本身通過(guò) DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供。

3. 接觸器（Contact Drive）

接觸器是一個(gè)功能塊，用于電池組和負(fù)載或充電電路的連接或隔離。通常，一個(gè)電池組系統(tǒng)有 3 種不同的接觸器：

? 充電

? 放電

? 預(yù)充電

在類(lèi)似儲(chǔ)能系統(tǒng)的部分應(yīng)用中，將只有一個(gè)接觸器用于充電和放電。接觸器的切換由 BMS 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制。BMS將向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出通電信號(hào)，從而使接觸器通電以進(jìn)行操作。接觸器的選擇需根據(jù)充電/放電電流。對(duì)于低電流和低電壓應(yīng)用，我們可以選擇基于 MOSFET 的解決方案，而不是接觸器。

4. SD卡 (Data Storage)

它可以存儲(chǔ)BMS的配置文件和電池產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。ION的BMS可以存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá) 15 年的電池?cái)?shù)據(jù)。這使用戶可以了解電池組的行為并保護(hù)電池免受潛在損壞。

ION的電池分析云平臺(tái)“Edison”可以利用這些數(shù)據(jù)得到以下功能：

? 通過(guò)儀表板讓您對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和洞察

? 對(duì)任何電池的異常運(yùn)行進(jìn)行報(bào)警并及時(shí)采取措施

? 使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法提出糾正措施，以防止電池退化并將電池壽命提高40%。

? 通過(guò)云平臺(tái)向 BMS 推出OTA更新和功能添加

5. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷 (RTCC)

RTCC 用于為存儲(chǔ)在 SD 卡中的數(shù)據(jù)提供時(shí)間戳。這有助于用戶對(duì)電池組在任何時(shí)間點(diǎn)發(fā)生任何潛在損壞時(shí)進(jìn)行根本原因分析。

6. GPIO 連接器

GPIO 連接器提用于額外功能連接到 BMS，如冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、點(diǎn)火、傳感器等。通過(guò)更改配置文件來(lái)啟用此功能。

7. CAN 連接器

CAN 連接器接到 MCU，用于內(nèi)部和外部通信。如果系統(tǒng)中連接了多個(gè) BMS，則需要內(nèi)部 CAN 通信。外部 CAN 通信通常用于交換電壓、電流、錯(cuò)誤等信息。外部 CAN 通信通常用于 CAN 充電器、CAN 顯示器、CAN 數(shù)據(jù)記錄器等。

8.藍(lán)牙（BLE）

它是一種與 BMS 通信的無(wú)線模式。ION有一個(gè)叫ION-Lens的與安卓合作的APP，用于通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程連接ION BMS。通過(guò)ION-Lens，用戶可以通過(guò)藍(lán)牙連接電池組，從而可以可視化所有重要的電池信息，如電壓、電流、溫度、SOC、SOH、錯(cuò)誤等。

9. 高壓聯(lián)鎖回路（High Voltage Interlock Loop）

互鎖PWM回路機(jī)制用于檢測(cè)高壓設(shè)備的篡改或打開(kāi)以及服務(wù)連接斷開(kāi)。高壓聯(lián)鎖回路 (HVIL) 用于確定高壓系統(tǒng)，例如電源（比如車(chē)輛電池）、負(fù)載（比如車(chē)輛電機(jī)）以及它們之間的導(dǎo)體是否已正確連接。如果沒(méi)有，電池接觸器不允許閉合，或者如果已經(jīng)閉合，則發(fā)出斷開(kāi)指令。

10. 絕緣監(jiān)測(cè)裝置（IMD）

IMD 通常用于 EVs 和 ESS 應(yīng)用，它將確保配備高壓電池組的電動(dòng)汽車(chē)的電氣安全性和可靠性。IMD 在充電或行駛過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中相導(dǎo)體和大地之間的絕緣電阻。

11. 電壓測(cè)量端口（Voltage Measurement Port）

終端通過(guò)接觸器連接，主要用于焊接檢查、電池總電壓測(cè)量和基于電壓的預(yù)充電。對(duì)于高電壓和高電流應(yīng)用，接觸器有可能被焊接。

在這種情況下，即使 BMS 發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)，也不允許接觸器斷開(kāi)。因此，BMS 識(shí)別出接觸器中發(fā)生了焊接，會(huì)通過(guò) CAN 向外部設(shè)備發(fā)送警報(bào)/錯(cuò)誤消息以采取緊急措施。

12. ISO-SPI 通道

ISO-SPI 通道用于主機(jī)（控制電路）和從機(jī)（傳感器電路）之間的內(nèi)部通信。  

模擬前端 (AFE)

AFE 是 BMS 中的集成電路 (IC)，旨在將 BMS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作所需的所有模擬電路封裝到一個(gè)小型封裝中。它包含用于測(cè)量電池堆中每個(gè)電池單元的電壓值。AFE 可以在 0-5V 范圍內(nèi)測(cè)量電池組中的 3 到 15 個(gè)串聯(lián)電池。

AFE 在觸發(fā)平衡電路方面也起著重要作用。AFE IC 包含一個(gè)內(nèi)置溫度傳感器，用于測(cè)量 BMS 板溫度。AFE 有一個(gè)小型的內(nèi)部數(shù)字狀態(tài)機(jī)，用于管理IC輸入端的電壓順序測(cè)量，并提供 I2C 接口。

AFE 的功能包括：

? 測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓并將其設(shè)置到 MCU

? 測(cè)量溫度（通常通過(guò) NTC 熱敏電阻）

? 每個(gè)單元的平衡電路

連接到 AFE 的 BMS 的基本功能塊，AFE 連接到多個(gè)功能塊，例如：

1. 電壓檢測(cè)通道

2. 溫度傳感器

3. GPIO 連接器

4. 平衡器

5. ISO-SPI 通道

6. 模擬濾波器

7. AFE電源

1. 電壓檢測(cè)通道

電壓感應(yīng)通道從電池組中的單個(gè)電池獲取讀數(shù)并將其發(fā)送到AFE，它還充當(dāng)平衡電池的通道。

2. 溫度傳感器

NTC熱敏電阻溫度傳感器是鋰離子電池安全的關(guān)鍵組件。它們提供了在充電/放電循環(huán)期間保持鋰離子電池處于最佳狀態(tài)所需的臨界溫度數(shù)據(jù)。溫度傳感器將放置在電池組的熱點(diǎn)中，以電壓的形式測(cè)量溫度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 AFE。

3. 平衡器

當(dāng)電池組中的電池之間出現(xiàn)超過(guò)限定的不平衡值時(shí)，AFE將向 BMS 中的平衡電路發(fā)出由 MCU 控制的觸發(fā)信號(hào)。

4. GPIO 連接器

GPIO 連接器用于額外功能與BMS的連接，如冷卻系統(tǒng)、接觸器控制、加熱系統(tǒng)、點(diǎn)火、傳感器等?？梢酝ㄟ^(guò)更改固件來(lái)啟動(dòng)相關(guān)功能。

5. ISO-SPI 通道

ISO-SPI 通道用于從設(shè)備（傳感器電路）和主設(shè)備（控制電路）之間的內(nèi)部通信?！?/span>

6. 模擬濾波器

它過(guò)濾電壓和溫度測(cè)量中的電噪聲。

7. 電源 AFE

它代表 AFE 運(yùn)行所需的電源單元。通常，該電源單元是從電池堆中取出的。

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