新一代高性能车载BMS主控模块的研发背景与介绍

1、新一代高性能车载BMS主控模块的研发背景与 介绍随着动力电池企业扩产速度的加快以及新能源汽车保有量的迅速增加，动 力电池管理系统（BMS）的重要性日益突出。由于具有电池监控、荷电状态（SOC）评估和电压均衡三大功能，BMS在保障动力电池安全和提高电池寿命 两方面具有无法替代的核心地位，受益于下游新能源汽车的旺盛需求，BMS 的市 场规模随之加速扩大，保守估计到2020年市场规模将超百亿元。1 BMS的组成和工作原理BMS之于动力电池最核心的三大功能为电芯监控、S0C估算以及单体电池 均衡，通过合理设计并配置BMS,不仅可以显著提高动力电池的安全性能， 还可以有效提高电池的使用寿命。业内普遍认为

2、，通过合理配置BMS,可以 有效提 升电池使用寿命20%以上。图1 BMS组成结构图BMS般分为主控模块（一级模块）和从控模块（二级模块）两部分，从 控模块主要负责电池电压、温度、电流等监测数据的采集以及均衡控制，主控 模块主要负责SOC估算、继电器驱动以及电气伤害保护。主控模块与从控模块 通过高可靠的数据传输通道进行指令与数据的双向传输。一套BMS由一个主控 模块和若干个从控模块组成，从控模块的使用数量与电池单体的个数正相关， 一般纯电动乘用车需要从控模块4个左右，纯电动客车需要810个从控模 块不等。电池单体电压监测的目的主要在于通过压差判断电池的差异性以及检测单 体的运行状态，此外还可以

3、通过简单累加得到电池组的总电压。除此以外，电 池组的总电压仍需要单独测试以备继电器的诊断。电池组电压的测试结果对于 电池SOC的估算具有重要意义，是计算电池组各参数的重要参量。温度的测量对于电池组工作状态的评估意义不言而喻，其中包含单体电池 的温度测量和电池组总线结点温度监测。前者需要精确设计好温度传感器的放 置位置以及使用个数，其要与BMS控制模块形成良好的协调，此外，不同温度 区间对于BMS模块的精度要求也有不同，一般涉及到分级管理的概念。在- 40-10 °C时，监测精度无须太高，原因在于电池系统本身需要加热；而温 度在-1010°C以及临近40°C的高温临

4、界点时，温度对于电池性能具有重大影响， 该温度区域需要重点监控，监测精度相应需要提高。电池组整体温度的监控重 点在于入口和出口处的结点温度，其监测精度的选择与单体电池类似。单体电芯S0C估算是BMS中的重点和难点，是其他多项功能的核心基础 信息来源，解决了 S0C问题，其他功能才可以通过集成现有的传感器、自动 化设备以及计算芯片和软件来实现。目前最常采用的估算方法是安时积分法和 开路电压标定法。通过建立电池模型和大量数据的采集，将实际数据与计算数 据进 行比较，是目前的主流做法。一个由不同单体电池串联组成的电池组，在工作过程中，由于单体电池容 量输入总不会一样，不可避免的会存在不均衡的现象。由

5、于电池在工作过程中 不仅有过放电和过充电的限制，而且在不同温度和不同S0C下，输入和输出的 功率也存在限制，因而在电池组的工作过程中，部分单体电池会由于工作在超 限范围而对自身性能产生损害，这种损害随着循环过程的进行不断积累，最终 导致电池寿命的减少和安全问题的发生。电池均衡技术的实质就是通过人为干预的方法（采用有源或者无源电子线 路）使电池组内的所有电池综合能量趋于一致。常见的均衡技术分为有损无源 和无损有源两种，即我们常说的被动均衡和主动均衡。采用主动均衡技术时单 体电池一般外加DC/DC电路，利用能量补充或者能量转移的方式实现电池均衡 的目的，在充电及放电过程中实现均衡；被动均衡是通过外

6、接电阻将能量较高 的电池消耗至设定值。主动均衡对电压采集精度要求较高，电路结构也较复 杂。被动均衡虽然结构简单，但其只能在电池充电时实现均衡的效果，能量利 用率较低。相比而言，由于主动均衡技术能量利用率较高，充放电时都可以达 到电池均衡的效果，因而是未来的发展方向。SOC估算算法、绝缘电阻测量算法以充放电保护策略和均衡策略的实现主 要取决于主控模块的硬件资源和软件思想，因此可以说主控模块是BMS的决策 中枢和关键组成部分。2客户对主控模块的特殊需求BMS作为一个细分领域发展不过短短五六年的时间，其发展源于动力电池 成组时对电池一致性和工作状态的管理要求。消费电子类时代，电池容量小且 数量少，彼

7、时尚无BMS的概念；进入电动自行车时代，对于电池的监控有一定 要求，BMS的雏形开始显现；直到电动汽车在国家政策驱动下进入示范生产阶 段，BMS作为一个细分领域才逐渐为人所知。主控模块是EMS的控制核心，其承担的工作任务包括电池保护、电气伤害 保护、故障诊断管理、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、SOC估计 和通讯管理等。电池的容量发挥和工作状态取决于BMS,整车的动力输出、车 辆续航里程及行驶状态控制取决于BMS,因此随着电动汽车行业的迅猛发展， 整车企业和电芯企业对BMS的性能要求越来越严苛。我司成立于2010年，一直致力于科技创新，形成了以整车控制器VCU和 电池管理系统BMS为核

8、心，涵盖电机、电控和电池的成套解决方案，全面覆 盖纯电动、插电式混合动力、非插电式混合动力等主要技术路线。产品已于 2011年 投入量产，所提供的产品和服务，广泛应用于公交、客运、物流、环 卫等众多新能源汽车领域。经过多年的技术积累和现场实践经验，客户对BMS 如下几个方面提出了较多的要求。2. 1充电接口和通信协议的不统一截至目前，电动汽车充电接口及通信协议5项国家标准一共有两个版 本，老的是2011颁布的，新的是2015年颁布实施的。主要区别在于2015 新国标主要增加了对电动汽车电池电压检测功能，检测电池电压是否在充电桩 输出的最 大电压和最小电压之间，同时也检测电动汽车发送过来的报文是

9、否和 电池电压一致，另外在交流充电接口 CC信号的检测电阻上也有较大区别。鉴于前几年，在国家相关政策的大力推动下，新能源汽车产业驶入了发展 的快车道。配套充电设施在需求方的推动下也进行大力建设和发展，2015版 新国标的推出使得旧国标充电设施不再兼容，但是投资方却不愿让已经建设好的 充电站废弃不用，这便要求BMS厂家对自身产品进行改动，以便能同时兼容新 旧充电国标。2.2数据存储和查询功能电动汽车车载电磁环境非常复杂，各种干扰因素难以定位，因此在行车过 程中可能出现异常下电和设备损坏的现象，抑或电池组充放电时应该动作保护 却未按照预期设计动作等等。为了便于事后查找故障原因，分析问题，定位责 任

10、归属，整车企业就要求BMS具有数据存储和查询功能。数据存储以时间（年/月/日/时/分）为基础参数，附带记录信息包 括单体电压、总电压、充/放电容量、充/放电电流、温度、绝缘电阻等， 形成SOE记录，以便于事后分析。2.3远程数据传输和后台监控功能后台系统是集显示实时数据、主控器运行参数设置和保存实时与历史数据 于一体的多功能电脑软件。它配合现场工作人员调试BMS,并且可提供给客户 用来分析电池运行使用情况。调度工作人员可以调用指定动力电池和车辆信息的历史数据，可以把指定 的历史数据导出为Excel表格，方便对车辆电池历史数据进行分析，统计电 池性能；通过对车辆电池运行状态的大数据分析，提升S0

11、C/S0H精度，精准 调度电池运营，实现对BMS的远程管理和监控，整体系统结构如图2所示。结合客户的需求，我司后台监控系统拟实现以下两点功能：使用高德云图API实现对附近自定义服务网点的检索和定位，并可以 提供到目标服务网点的导航服务。通过查询云数据库实时监控车辆电池和动力系统状态包括总电压、总 电流、温度、SOC、最低最高单体电压、最低最高单体温度，并能实时绘制总 电流-时间、总电压-时间、SOC时-间曲线。RDS （云数据库）台软件客户端图2后台系统整体结构ECS （云服务ECS （云服务BMSDTUBMSDTUBMS3主控模块全新方案的提出我司31系列主控模块采用“ TMS320F280

12、8PZA+MC9S12" G6的4处理器 平台结构，其硬件资源基本实现了以往电动汽车对BMS的要求，辅助CPU芯 片仅仅为了增加一路CAN通信功能。随着用户对BMS愈来愈严苛的信息处理 速度以及防护等级要求，我们对主控模块重新进行了优化和布局，采用 Freescale基于PowerPC架构的MPC5644A控制器作为其处理内核，无论其 运算处理速度还是硬件资源都大大满足了现场对BMS的功能要求。3. 1处理器平台的选择主控芯片MPC5644 （A产品序列号：SPC5644AF0MLU） 1是基于PowerPC 架构的e200z4高性能处理器，它最初是为汽车电子领域开发的，但其卓越 的

13、性能使其在其他许多不同的领域也得到了广泛的应用，如工业、商业和航空 航天等。MPC5644A片上集成了非常丰富的功能模块，如图3所示，系统无须再外接这 些功能的控制驱动芯片，大大减少了硬件布线并降低了系统成本，为系统可靠 性提供了有力的保证。此外，MPC5644A中央处理单元的浮点数处理能力能够 满足复杂控制算法对计算任务和浮点数运算能力的要求。同时，选择这款芯片 也是为了今后过渡到车载控制器和多功能汽车电控单元的研发提前进行技术积 累和铺垫。ECSM图3 MPC5644A模块框图MPC5644A的主要资源可归纳为：集成电源管理和内存保护单元；支持Nexus和JTAG两种调试方式；可以处理多达

14、287个中断源，具有16个优先 级，并支持多达15级的中断嵌套；2个12位的增强型队列式模/数转换模 块（eQAD） C ； 3个控制器局域网（FlexCAN）,支持CAN总线规范2. 0B； 3个解串/串行外设接口（ DSPI）,可配置为SPI、DSI和CSI三种 操作模式；3个增 强型串行通信接口（ eSCI）,支持低成本的LIN（Local InterconnectNetwork,本地内联网）总线通信协议；1个FlexRay通信控制器，符合 FlexRay通信协议V2. 1； 64通道的增强型直接内存访问控制器（eDMA）, 在片内I/O外设和片内存储器之间进行双向批量数据传输，节省内核

15、带宽； 32通道的第二代增强型定时器处理单元（eTPU2）,完成和定时相关的硬件 I/O端口处理任务，而不需要处理器的参与；24通道的增强型模块化I/O 系统（eMIOS）, 具有 GPIO、SAIC、SAOC、OPWM、BIPM、IPWM、DAO、C MCB、OPWFMB 种 9 功能。3. 2硬件总体规划主控模块整个硬件电路采用区域化设计，以降低互扰，共分为电源部分、 CPU核心部分、模拟量输入（遥测）部分、开关量输入（遥信）部分、通信部 分以及开关量输出（遥控）等部分，如图4所示。输入部分初步规划，包括 电流霍尔传感器、温度传感器、油门踏板、刹车踏板等模拟量输入，8路开 关量 输入；输出

16、部分包括10路驱动继电器/接触器线圈的遥控出口；通信部 分包括3路CAN,分别与动力总成、充电机和内部其他模块通信；2路 RS485,分别于触摸屏和GPRS模块通信；1路LIN和1路双通道FlexRay 扩展备用。硬件看门狗RS485-1说块24V壬衡共卽:编旷 检测（包拒启动电池电 惊、直流充电机低压荊助 电源和交流主电机辅助电 源）-CPU I/O卫E坛做- -CPIXI孩电玄村礼1西:流充电机CC2，二松利交范三型11 C8X堆奴交?肚託电杠CRm压梅泪碳块兀梃蛊廈检側常火接人遛信& 克洗充电机接入遂体呈充电接触器辅助融点炭态宦寻冃遥匚艮2宜流转换接竝器辅助触点状态量交流供电浆宜

17、漏电保护汗关 萄助蝕点狀态故欢电接锣稱助竝点讥态宦B+按蝕器縫艮他点狀态星8 接竝器荊助触.点状态址1 X_JAI,卞控模开关#输入DI t块 于外扩 EEPROM 4-LED1?刊T（运行、吿誓、异常jCAN-3 RS485-2GPR義块CAN-1动力总成（VCU）CAN-2DO触摸屏:充电机（车载充电机&戌流充电桩）采轉块均衡模块> LIN线技I电路备用W扣电池 RTC*FlexRag銭接厂屯路金引图4硬件功能模块规划图4新一代主控模块的技术优势采用32位基于PowerPC架构的MPC5644A作为其处理内核，能够满足复杂控制算法对计算任务和浮点数运算能力的要求,大大减少了硬

18、件布线并降低了系统成本，系统扩容升级方便，可靠性更高。可以采集各个单体电芯的电压和温度，以及总压、充放电电流等数据，并进行排序，筛选和分析；实现各类超限、故障的报警，充放电保护，S0C/S0H 估算、均衡管理等功能。具有3路高速独立CAN2.0总线，能够与其他组件进行通讯和控制，通过独 立CAN总线与行车控制器通讯，转发当前电池系统信息；通过独立CAN总线与充电机进行通讯，以此实现对充电过程的控制和管理。具有2路独立RS485功能，可用于链接上位机，GPRS模块或蓝牙模块 等外部装置。能够实时监测车载环境的绝缘状况，计算正负母线绝缘电阻，实时保护设备装置工作正常以及人身安全。带有内置晶振和充电

19、电池的实时时钟芯片，时钟精度为土 5ppm,年误差 小于2.5分钟，掉电系统时间不丢失。软件设计上具有数据存储和查询功能，能记录保护与告警、掉电、故障等 异常信息，并以时间（年/月/日/时/分）为基础记录参数：单体电 压、总电压、充/放电容量、充/放电电流、温度等；存储内容可通过 监控接口读取；宜可外接存储介质，自动读取存储信息，存储信息为EXCEL格式。可以采集油门踏板、刹车踏板等车载总成模拟量信号，具有8路12V/24V 干接点和湿接点遥信采集功能，具有8路低边开关量输出和2路高边开 关量输出功能，可以有效采集车载总成开关状态信号以及控制多路高压继 电器，低边开关持续通过电流能达到3-5A

20、,高边开关持续电流能达到 2. 9A 支持动力电池和车辆信息的数据无线远传，通过上位机可以把指定的历史 数据导出为Excel表格，方便对车辆电池历史数据进行分析，统计电池性能；通过对车辆电池运行状态的大数据分析，提升SOC/SOH精度，精准调 度电池运营，实现对BMS的远程管理和监控。5端子定义及外形尺寸5. 1外形尺寸长 *宽*高=206mm * 135mm *图5主控模块外形尺5. 2端子定义图6主控模块端子定义表1主控楔块端了是义位号义 定位号义 定位号义 定位号义 定位号义 定匸A-0-INI-OV1±HH2CHARGE DC18CAN1-H34CAN2-L50DI-5-PA

21、S66D0-YK103GND19CAN1-RL35CAN3-H51DI-7-PAS67D0-YK14GND20DI-l-PAS36485B-152DI-TEST-A68D0-YK255V IN-21CAN3-L37DI-4-ACT53GND69D0-YK5610V IN+22DI-3-ACT38485A-254GND70D0-YK675V IN+23485B-239DI-6-PAS55GND71D0-YK78CAN2-RL24DI-6-ACT40DI-8-ACT56NTC472D0-YK89DI-2-PAS25DI-8-PAS41GND57NTC273D0-YK310DI-2-ACT26GND

22、42CC58VBAT+74VBAT+11485A-127GND43AGND59D0-YK975VBAT+12DI-5-ACT28BAT P44+12VDC60GND76VBAT+13DI-7-ACT29ON_STATE45CAN2-H61GND77VBAT+14DI-TEST-B30CC246DI-l-ACT62GND78VBAT+15GND31-12VDC47CAN3-RL63NTC379VBAT+16CP32CT-OUT48DI-3-PAS64NTC180D0-YK4注意：低边开关DO-YK1DO-YK8闭合后将会连接到电源负GND,高边 开关D0-YK9. DO-YK1O闭合后将会连接到

23、电源正VBAT+； CHARGE_A、 CCHARGE_D、C BAT_P、ON_STAT 在 E 外部将会连接到电源正 VBAT+, DI-1- PASDI-8-PAS. DI- TEST-B在内部已经连接到了电源正VBAT+。因此在调 试接线过程中，电源正VBAT+、高边开关D0-YK9. DO-YK1O. , DI-1-PAS DI-8-PAS. DI-TEST-B 以及 CHARGE_A、CCHARGE_D、CBAT_P、ON_STATE 这 些端子引线需要尽量放置在一起，并与电源负GND以及低边开关DO-YK1 DO-YK8分开，避免混放而造成短路。表2主控模块端了功能定义位号网络标

24、号功能定义其他1CHARGE AC交流充电桩辅助电源“正”2CHARGE DC直流充电桩辅助电源“正”3GND电源地或信号地建议接直流充电桩 辅助电源“GND”4GND电源地或信号地建议接交流充电桩 辅助电源“GND”55V IN-5VDC量程模拟信号负输入端610V IN+10VDC量程模拟信号正输入端75V IN+5VDC量程模拟信号正输入端8CAN2-RLECU整车控制器CAN通讯终端电阻接入端CAN2-RL 与 CAN2- H 拧在一起后，即接 入了 120 Q终端电 阻9DI-2-PAS第2路干结点遥信接入端10DI-2-ACT第2路湿结点遥信接入端，或与DI-2-PAS结合组成第2

25、路干结点遥信接 入端11485A-1第1路RS485的A输入端优先接GPRS模块 或蓝牙模块12DI-5-ACT第5路湿结点遥信接入端，或与DI-5-PAS结合组成第5路干结点遥信接 亠山人U而13DI-7-ACT第7路湿结点遥信接入端，或与DI-7- PAS结合组成第7路干结点遥信接 入端14DI-TEST-B测试程序外部触发有源端将 DI-TEST-B 与 DI-TEST-A 拧在一 起，CPU将运行测 试程序15GND电源地或信号地建议接常火电源 “ GND”16CP交流充电桩CP信号接入端1710V_IN-10VDC量程模拟信号负输入端18CAN1-HBMS 内 CAN_H 端19CA

26、N1-RLBMS内CAN通讯终端电阻接入端CAN1-RL 与 CAN1- H 拧在一起后，即接 入了 120 Q终端电 阻20DI-l-PAS第1路干结点遥信接入端21CAN3-L充电机CAN L端22DI-3-ACT第3路湿结点遥信接入端，或与DI-3- PAS结合组成第3路干结点遥信接 入端23485B-2第2路RS485的B输入端优先接上位机等24DI-6-ACT第6路湿结点遥信接入端，或与DI-6- PAS结合组成第6路干结点遥信接 入师25DI-8-PAS第8路干结点遥信接入端26GXD电源地或信号地预留27GND电源地或信号地建议接交流充电桩 辅助电源28BAT_P常火接入端290

27、N_STATE“ 0N”档信号接入端30CC2直流充电桩CC2信号接入端31-12VDC12VDC电源“负”用于给霍尔电流传 感器供电32CT-OUT霍尔电流传感器输出端霍尔电流传感器输 出引脚33CAN1-LBMS 内 CAN_L 端34CAN2-LECU整车控制器CAN_L端35CAN3-H充电机CAN_H端36485B-1第1路RS485的B输入端优先接GPRS模块 或蓝牙模块37DI-4-ACT第4路湿结点遥信接入端，或与DI-4- PAS结合组成第4路干结点遥信接38485A-2第2路RS485的A输入端优先接上位机等39DI-6-PAS第6路干结点遥信接入端40DI-8-ACT第8

28、路湿结点遥信接入端，或与DI-8-PAS结合组成第8路干结点遥信接 入端41GND电源地或信号地预留42CC交流充电桩CC信号接入端43AGND12VDC 电源 “ GND”用于给霍尔电流传感器供电44+12VDC12VDC电源“正”用于给霍尔电流传 感器供电45CAN2-HECU整车控制器CAN H端46DI-l-ACT第1路湿结点遥信接入端，或与DI-1-PAS结合组成第1路干结点遥信接 丄山入师47CAN3-RL充电机CAN通讯终端电阻接入端CAN3-RL 与 CAN3- H 拧在一起后，即接 入了 120 Q终端电 阻48DI-3-PAS第3路干结点遥信接入端49DI-4-PAS第4路干结点遥信接入端50DI-5-PAS第5路干结点遥信接入端51DI-7-PAS第7路干结点遥信接入端52DI-TEST-A测试程序外部触发有源端将 DI-TEST-A 与 DI-TEST-B 拧在一 起，CPU将运行测 试程序53GND电源地或信号地建议接高边开关“ GND*54GND电源地或信号地建议接温感 NTC4 “ GND