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、SOC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，通过合理配置

2、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一般分为主控模块（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，此外还可以通过简单累加得到电池组的总电压

3、。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以及临近40的高温临界点时，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

4、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SOC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SOC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SOC下，输入和输出的功率也存在限制，因

5、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

6、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，B

7、MS作为一个细分领域才逐渐为人所知。主控模块是BMS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

8、，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

9、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S

10、OE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SOC/SOH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

11、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。图2 后台系统整体结构3 主控模块全新方案的提出我司31系列主控模块采用“TMS320F2808PZA+MC9S12G64”的处理器平台结构，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MPC5

12、644A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MPC5644A（产品序列号：SPC5644AF0MLU1）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

13、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。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（eQADC）；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 Interc

14、onnect Network，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、OPWMB、IPM、IPWM、DAOC、MCB、OPWFMB 9种功能。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

15、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。图4 硬件功能模块规划图4 新一代主控模块的技术优势Ø 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，

16、大大减少了硬件布线并降低了系统成本，系统扩容升级方便，可靠性更高。Ø 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，SOC/SOH估算、均衡管理等功能。Ø 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。Ø 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。Ø 能够实时监测车载环境的绝缘状况，计算正负母线绝缘

17、电阻，实时保护设备装置工作正常以及人身安全。Ø 带有内置晶振和充电电池的实时时钟芯片,时钟精度为±5ppm，年误差小于2.5分钟，掉电系统时间不丢失。Ø 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。Ø 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

18、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，高边开关持续电流能达到2.9A。Ø 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 * 36.5mm图5 主控模块外形尺寸图5.2 端子定义图6 主控模块端子定义表1 主控模块端子定义位号定义位号定义位号定义位号

19、定义位号定义1CHARGE_AC1710V_IN-33CAN1-L49DI-4-PAS65VBAT+2CHARGE_DC18CAN1-H34CAN2-L50DI-5-PAS66DO-YK103GND19CAN1-RL35CAN3-H51DI-7-PAS67DO-YK14GND20DI-1-PAS36485B-152DI-TEST-A68DO-YK255V_IN-21CAN3-L37DI-4-ACT53GND69DO-YK5610V_IN+22DI-3-ACT38485A-254GND70DO-YK675V_IN+23485B-239DI-6-PAS55GND71DO-YK78CAN2-RL24

20、DI-6-ACT40DI-8-ACT56NTC472DO-YK89DI-2-PAS25DI-8-PAS41GND57NTC273DO-YK310DI-2-ACT26GND42CC58VBAT+74VBAT+11485A-127GND43AGND59DO-YK975VBAT+12DI-5-ACT28BAT_P44+12VDC60GND76VBAT+13DI-7-ACT29ON_STATE45CAN2-H61GND77VBAT+14DI-TEST-B30CC246DI-1-ACT62GND78VBAT+15GND31-12VDC47CAN3-RL63NTC379VBAT+16CP32CT-OUT4

21、8DI-3-PAS64NTC180DO-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DO-YK9、DO-YK10闭合后将会连接到电源正VBAT+；CHARGE_AC、CHARGE_DC、BAT_P、ON_STATE在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DO-YK9、DO-YK10、，DI-1-PASDI-8-PAS、DI-TEST-B以及CHARGE_AC、CHARGE_DC、BAT_P、ON_STATE这些端子引线需要尽量放

22、置在一起，并与电源负GND以及低边开关DO-YK1DO-YK8分开，避免混放而造成短路。表2 主控模块端子功能定义位号网络标号功能定义其他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终端电阻9DI-2-P

23、AS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路干结点遥信接入端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

24、量程模拟信号负输入端18CAN1-HBMS内CAN_H端19CAN1-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终端电阻20DI-1-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路干结点遥信接入端25DI-8-PAS第8路干结点遥信接入端26GND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

25、助电源“GND”28BAT_P常火接入端29ON_STATE“ON”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路干结点遥信接入端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

26、遥信接入端40DI-8-ACT第8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-1-ACT第1路湿结点遥信接入端，或与DI-1-PAS结合组成第1路干结点遥信接入端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”端54GND电源地或信号地建议接温感NTC4“GND”端55GND电源地或信号地建议接温感NTC2“GND”端