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高效提升電池壽(shou)命和(he)安全性 | 基于ACM32 MCU的BMS應(ying)用(yong)方案
電(dian)池(chi)(chi)(chi)管理系統（BMS）通(tong)過監控電(dian)池(chi)(chi)(chi)的狀態，智能化(hua)管理及維(wei)護各個電(dian)池(chi)(chi)(chi)單元，從而(er)防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)(chi)(chi)出現過充電(dian)和過放電(dian)。優質的電(dian)池(chi)(chi)(chi)管理系統能夠最(zui)大限度地(di)延長電(dian)池(chi)(chi)(chi)整體(ti)使(shi)用壽命(ming)，有效保障設(she)備安全(quan)。
BMS電池管理概述
BMS，即電(dian)(dian)池(chi)管理系統(tong)（Battery Management System），隨著鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)的(de)廣泛應用(yong)，BMS作為鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)的(de)“保(bao)姆”也(ye)越來越被大眾所關(guan)注。相較于(yu)傳統(tong)電(dian)(dian)池(chi)，鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)具(ju)有更(geng)好(hao)的(de)能(neng)力密(mi)度(du)，更(geng)高的(de)工(gong)作電(dian)(dian)壓，更(geng)低(di)的(de)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)率(lv)。但鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)在(zai)面對過充(chong)、過放(fang)(fang)(fang)等(deng)(deng)問(wen)題時，相對脆弱(ruo)。由于(yu)鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)組在(zai)生產制造和使用(yong)過程中存(cun)在(zai)的(de)差異性，會(hui)導致(zhi)電(dian)(dian)池(chi)單(dan)體之間天然就存(cun)在(zai)著不一(yi)致(zhi)性。這種不一(yi)致(zhi)性主要表現在(zai)單(dan)體容量、內(nei)阻、自放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)率(lv)、充(chong)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)效率(lv)等(deng)(deng)方面。單(dan)體的(de)不一(yi)致(zhi)，會(hui)進一(yi)步導致(zhi)過充(chong)、過放(fang)(fang)(fang)等(deng)(deng)問(wen)題，進而造成電(dian)(dian)池(chi)壽命下降甚至死亡(wang)或損壞(huai)。
圖1 | 容量不一(yi)致時充放電(dian)過程示意圖
如圖1所示，由于電池(chi)單體(ti)的(de)(de)差異(yi)(yi)，在充(chong)電時(shi)，低(di)容(rong)(rong)(rong)量(liang)電池(chi)充(chong)電已(yi)(yi)飽和，而(er)(er)較大容(rong)(rong)(rong)量(liang)的(de)(de)電池(chi)電量(liang)未滿，此時(shi)對于小(xiao)(xiao)容(rong)(rong)(rong)量(liang)單體(ti)來說，則處于過充(chong)狀(zhuang)態。相(xiang)反，放電時(shi)，較大容(rong)(rong)(rong)量(liang)的(de)(de)電池(chi)仍然處于放電狀(zhuang)態，而(er)(er)小(xiao)(xiao)容(rong)(rong)(rong)量(liang)電池(chi)電量(liang)已(yi)(yi)空(kong)。有研究表明，單體(ti)電芯20%的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)差異(yi)(yi)，會帶(dai)來超過40%的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)損失(shi)。
而(er)BMS模塊則是(shi)為避免該問題的(de)出(chu)現(xian)而(er)存(cun)在。BMS會(hui)實時監(jian)測單體(ti)(ti)的(de)容(rong)量(liang)，并采用電池(chi)均(jun)衡(heng)手段(duan)來保(bao)證(zheng)電池(chi)的(de)正常工作。將不同(tong)(tong)容(rong)量(liang)的(de)單體(ti)(ti)比作體(ti)(ti)積不同(tong)(tong)的(de)水(shui)(shui)桶，而(er)電池(chi)的(de)電量(liang)好(hao)比是(shi)水(shui)(shui)桶中存(cun)留的(de)水(shui)(shui)。充放電時，BMS會(hui)將快滿的(de)“水(shui)(shui)桶”里面的(de)“水(shui)(shui)”轉移到較空的(de)“水(shui)(shui)桶”中，以此來保(bao)證(zheng)整體(ti)(ti)電池(chi)電量(liang)的(de)均(jun)衡(heng)，避免出(chu)現(xian)過充和(he)過放的(de)問題。如(ru)圖2所示(shi)。
圖2 | BMS電池均衡示(shi)意圖
上海航芯(xin)BMS應(ying)用方案
上海航芯推出(chu)的(de)(de)BMS應用方(fang)案(an)，采用ACM32F403/ACM32G103系列(lie)MCU作(zuo)為主控芯片，最(zui)(zui)高(gao)工作(zuo)頻率可達180MHz/120MHz，內置最(zui)(zui)大(da)512KB的(de)(de)eFlash和最(zui)(zui)大(da)192KB SRAM，滿(man)足(zu)一般BMS算法庫(ku)的(de)(de)需求(qiu)。內置2Msps/3Msps采樣率12位ADC，實現對(dui)電(dian)(dian)芯電(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)流(liu)、溫度(du)等信號的(de)(de)高(gao)頻采樣。具有(you)USB/UART/CAN/SPI等多種(zhong)通(tong)訊接口，足(zu)以應對(dui)大(da)多數應用場(chang)合（如(ru)需要485通(tong)信的(de)(de)兩(liang)輪(lun)電(dian)(dian)動車，需要CAN接口的(de)(de)新能源汽車等）。基于ACM32F403/ACM32G103的(de)(de)BMS方(fang)案(an)結構示意圖如(ru)下圖所示：
圖3 | BMS系統框圖
ACM32F4/ACM32G1主控(kong)芯片，通(tong)過(guo)ADC對(dui)敏感信(xin)(xin)號進行采(cai)樣，并(bing)依照BMS算法庫計算得到當(dang)前電(dian)池的(de)SOC、SOH等數(shu)據，執行均衡以(yi)及熱管理(li)控(kong)制，保證電(dian)池處(chu)于正常的(de)工(gong)作狀(zhuang)態。當(dang)出(chu)(chu)現問題時(shi)，支持在線警報(bao)(bao)同時(shi)給出(chu)(chu)LED指示信(xin)(xin)號。整個(ge)系統的(de)運行參數(shu)可以(yi)通(tong)過(guo)CAN/USB/UART等接口進行上報(bao)(bao)。
