BMS技術梳理

從事BMS軟件設計已有3年，自覺還沒有真正的入門，不過還是有一些心得是想可以分享的，也是對自己的知識做一個梳理吧。

• 初稿

一個項目入手，我的理解：首先，必須明確項目的需求。只有真正的理解項目，從用戶的角度考慮，才能做出最為適合的產品，畢竟產品最終還是為人服務的。

一聽到，新能源汽車，很多人的第一印象，不就是，以電池代替汽油給汽車提供動力嘛。是的，大家都是聰明人，一下子抓住了事物的本質。對，就是這樣。就像小時候，我們玩的四驅車，本質都是一樣的，不要聽別人忽悠，有多神秘似的。

那么以電池代替汽油有什么好處呢？這些都被專家們分析的雲里霧里，十分的高大上。其實，也就這么幾個優點，環保清潔（好像是一句廢話），其次還是在這個國度電費比油費便宜。

概要

大家都知道要實現電池提供動力，控制終端就是電池管理系統（BMS）。

接下來，我會從信號采集，數據處理和控制邏輯，一一解析，我眼中的BMS

一、信號采集

顧名思義，電池管理系統，首先管理的對象是電池。我們就必須對當前電池的狀態有一個細致的了解，也不能什么都不知道就用開始電池。電池的狀態，主要表現為以下的幾個方面。

1. 電池的單芯電壓
2. 電池的溫度
3. 電池組的總電壓
4. 電池組的總電流
5. 電池組的絕緣電阻

下面，我就對電池信息的采集，做一簡單的說明：

1. 單芯電壓的檢測

電池的成組方式一般是串聯加並聯。以我的理解，串聯主要是加大整個電池模組的電壓，並聯就是增加電池的可充放電電流。

我們都知道，想要能驅動電機工作，就必須給它一定的能量，能量怎么來的，學過物理的都知道

P = V*I

想要 P 變大，不就得使電流電壓變大嗎？

再說電池，一節電池的最大放電電流和最大充電電流都是固定的。並聯簡單的就是將這兩個值成倍的放大。

那么，單芯電壓到底怎么測？就是將並聯的單芯當做一節電池使用，這節電池的兩端電壓，就是單芯電壓了。很簡單的，不是嗎？

原理雖然說起來是很簡單，不過精度要求卻是挺高的，這是硬性要求。我們一般的電池OCV曲線，是上下抖中間平的的樣子。電池的電壓稍有變化，SOC的變化就很大了。

所以呢，檢測芯片的要求也是很高的。我用到的有兩款芯片一塊是凌特的LTC6804，還有一塊是TI的EMB1428，有興趣的朋友可以看看他們的數據手冊，了解一下。

2. 電池的溫度檢測

相對於電壓的高精度要求，溫度的檢測不是那么的嚴格了。一般來說在2°的誤差內，都是可接受的。溫度的檢測，相對來說也是簡單多了，我了解的大多數做BMS的廠商，用的都是NTC來做檢測的。

NTC檢測溫度的原理，就是溫度值和對應溫度下電阻值一一對應，一般和另一個電阻分壓一個標准電壓。使用單片機ADC功能就可以簡單的得到溫度值。

3. 電池的總電壓采集

總電壓，即觀察電池整個模組的電壓狀況。一般來說，沒什么太大的用處，只是作為一個參考值，來用。總電壓除以電池的串聯數，就是一個大概的單芯電壓平均值。

總電壓的大小不定，這是由車輛本身的需求決定，就我所見到的電壓等級150V~800V不等。

那么，總電壓如何采集？
常用的一種方法就是，將總電壓使用電阻等比例分壓，AD采集采樣電阻的兩端電壓。需要注意的是，動態電壓的變化是十分不穩定的，所以必須的消抖電路和消抖程序都是需要的。

4. 電池的總電流采集

工作模式有充有放，電流因此有正有負。

電流，我認為這是所有電子設計中是最需要關注的一個參數。電流，是最容易引發故障，也是最為危險的。

在BMS系統中，電流在SOC的計算，電池均衡策略中都有不可忽視的作用。

電流采集的精度和頻率都有非常高的要求。這里我用過兩款芯片AS8510和CS5490，有興趣的朋友，可以了解一下。

5. 電池的絕緣電阻采集

什么是絕緣電阻？
簡單來說，就是防觸電保護的最小電阻。國標上的要求是0.1mA。我們一般來說都會放大余量，安全問題再怎么關注都不差。

那么，絕緣電阻又是怎么測量的呢？傳統的話，有兩種測試方法，使用單橋檢測，或者雙橋檢測方式。具體的原理圖我就不貼了

簡單說一下優缺點：

• 單橋檢測，就是在主正或者主負一端加一個繼電器，優點是節約成本，減少繼電器本身兩端的電壓而導致的誤差。缺點也很明顯，如果接在主正繼電器一側，恰好主正的絕緣電阻值較大，會有較大的誤差（主要是正負兩端采集的倍數過大）。
• 雙橋檢測，就是正負兩端都加一個繼電器。缺點是成本高，采集精度下降。優點，減少兩端的采集倍數，算出的值相對准確

二、數據處理

之前一直在思考，什么是程序，程序的本質是什么？
我的理解“程序就是一種控制思想，一種因果變化”。

為了實現某個功能，具現化為某個狀態變量的輸出。就要從已有的輸入變量中選擇合適的變量作為輸入。輸入通過某種復雜的轉換（控制實現/計算實現）得到輸出的過程就是程序。

關鍵：

1. 確保輸入輸出變量的准確性（數據處理）
2. 從輸入到輸出實現的可能性（邏輯控制）

數據的處理可以從以下的兩個方面考慮：

• 輸出變量的處理
• 輸入變量的處理

數據，我將它分為兩類

1. 功能數據
2. 性能數據

功能數據：數據是作為算法的必要輸入特意獲取的數據，比如上面的采集數據，SOC等;
性能數據：數據不作為功能邏輯上的輸入，更多的是對軟硬件的穩定性安全性的一個評估作用。比如板子的輸入電壓檢測，繼電器開關的狀態檢測，CAN出錯等。

變量分兩類：數據和狀態，有以下的幾種處理方式

1. 數據：不同狀態下，多個數據，取權重。
2. 數據：
   1. 去除在范圍之外的數據，多個采樣，取有效值的均值。
   2. 對於超范圍的數據，設置標志位，故障處理。
3. 狀態：連續一段時間維持某一狀態不變（消抖）

數據，經過處理，如果沒有問題就可以作為有效輸入數據。在功能被觸發的條件下，直接被調用。
那出錯了呢？對於這個問題，專門有一個故障處理的模塊。實時的將故障點檢測出來，發給整車，並且存儲起來。

故障等級大致是這樣的分的：

• 一級：只是報警，不做任何處理，可消退
• 二級：報警，限速，可消退
• 三級：報警，限速，不可消退
• 四級：報警，制動，不可消退

具體的哪些故障對應哪個等級，就不說了。

三、邏輯控制

邏輯控制主要有以下的幾個部分：

• 上電自檢，確定系統狀態
• 繼電器控制，不同狀態，不同的繼電器數量有不同的控制方式
• 充電控制，分為快充和慢充，需要分開處理
• 均衡控制
• 電池加熱控制

1. 上電自檢

汽車一共有兩個工作模式：放電，充電。其中充電再分為快充和慢充。確定工作模式的方式是，給BMS供電的到底是哪個24V電源，T15/快充/慢充

只有自檢通過才允許上高壓，也就是閉合對應的繼電器。那么，觀察哪些信號，就可以確認自檢沒問題？

• 所有繼電器狀態OK
• 總電流OK
• 絕緣電阻OK
• 只存在一個工作模式

自檢OK，就可以使能對應的CAN通訊，也可以上高壓放電和充電。

2. 繼電器控制

繼電器的控制邏輯更多的是一個先后順序

• 開始放電

1. 吸合負極繼電器
2. 吸合預充繼電器
3. 吸合放電繼電器（正極和電機之間的繼電器）
4. 斷開預充繼電器

• 停止放電

1. 斷開負極繼電器
2. 斷開放電繼電器

• 開始充電

1. 吸合負極繼電器
2. 吸合充電繼電器（正極和充電機之間的繼電器）

• 停止充電

1. 斷開負極繼電器
2. 斷開充電繼電器

先斷負極，再斷正極，是為了分擔上下電的壓力；這種說法保留

3. 電池加熱控制

電池加熱主要是在電池充電的時候使用。

溫度過低，電池的活性降低，所以需要先給電池加熱，后續再充電。

基本的流程：吸合加熱繼電器，向充電機需求一個電流。此時動力和充電機同時給加熱繼電器提供電流，只是充電機電流比較大。加熱結束，斷開加熱繼電器，同時向充電機需求一個大的充電電流。

4. 充電（快充）控制

所有的控制邏輯在國標GBT 27930-2015中定義的很清楚。嚴格按照國標來基本不會出什么問題

5. 均衡控制

均衡，是一個比較大的概念，后續再講

總結

梳理了BMS的一些基本概念，通過這個過程這才發現，我了解的還是太少太生疏了。雖然做了這么長時間的BMS，我還是處於表面化的層次中。抱頭痛哭！

技術啊，就怕深究！！！

留下的問題：

1. SOC算法和均衡控制算法
2. Simulink/Stateflow模型化設計的一些知識
3. AutoSar架構的梳理
4. 標准化設計的一些想法
5. 標定和bootloader
6. 上位機MFC/Qt上的知識
7. 電池知識的深入了解