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高(gao)效(xiao)提升(sheng)電池壽命和安全性(xing) | 基于ACM32 MCU的BMS應用方案
電(dian)池(chi)管理系統（BMS）通過(guo)監控(kong)電(dian)池(chi)的(de)狀態，智能(neng)化管理及維護各個電(dian)池(chi)單元，從而防止電(dian)池(chi)出現過(guo)充電(dian)和過(guo)放電(dian)。優質的(de)電(dian)池(chi)管理系統能(neng)夠最大限度地延長電(dian)池(chi)整體使用壽命，有效保障設備安全。
BMS電(dian)池管理概述
BMS，即電(dian)(dian)池(chi)管理系(xi)統（Battery Management System），隨著鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)廣泛應用，BMS作(zuo)為鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)“保姆(mu)”也越來越被大眾所(suo)關注(zhu)。相(xiang)較(jiao)于(yu)傳統電(dian)(dian)池(chi)，鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)具有更好的(de)(de)能力密度，更高的(de)(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓，更低(di)的(de)(de)放(fang)(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)率。但鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)在(zai)(zai)面對(dui)過(guo)充、過(guo)放(fang)(fang)(fang)(fang)等問題時，相(xiang)對(dui)脆弱。由(you)于(yu)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)組在(zai)(zai)生產(chan)制造和(he)使用過(guo)程中(zhong)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)差(cha)異性，會導致(zhi)(zhi)電(dian)(dian)池(chi)單體(ti)(ti)之間(jian)天然就存(cun)在(zai)(zai)著不一(yi)致(zhi)(zhi)性。這種不一(yi)致(zhi)(zhi)性主要(yao)表現在(zai)(zai)單體(ti)(ti)容量、內阻、自放(fang)(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)率、充放(fang)(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)效率等方面。單體(ti)(ti)的(de)(de)不一(yi)致(zhi)(zhi)，會進一(yi)步導致(zhi)(zhi)過(guo)充、過(guo)放(fang)(fang)(fang)(fang)等問題，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(liang)不一致(zhi)時充放電(dian)過(guo)程(cheng)示(shi)意圖
如圖1所示，由于電(dian)(dian)(dian)池(chi)單(dan)體的差異，在充電(dian)(dian)(dian)時，低容量(liang)(liang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)已(yi)飽和(he)，而較大(da)容量(liang)(liang)的電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)未(wei)滿，此(ci)時對(dui)于小容量(liang)(liang)單(dan)體來(lai)說，則(ze)處(chu)于過充狀(zhuang)態。相反，放電(dian)(dian)(dian)時，較大(da)容量(liang)(liang)的電(dian)(dian)(dian)池(chi)仍然處(chu)于放電(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態，而小容量(liang)(liang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)已(yi)空。有研究表明，單(dan)體電(dian)(dian)(dian)芯(xin)20%的容量(liang)(liang)差異，會帶來(lai)超過40%的容量(liang)(liang)損失(shi)。
而(er)BMS模塊則是為避免該問題(ti)的(de)(de)出現而(er)存在。BMS會實時監(jian)測單體(ti)的(de)(de)容(rong)量(liang)，并采(cai)用電(dian)池均衡(heng)手段來保證電(dian)池的(de)(de)正常工作。將不(bu)(bu)同容(rong)量(liang)的(de)(de)單體(ti)比作體(ti)積不(bu)(bu)同的(de)(de)水(shui)桶，而(er)電(dian)池的(de)(de)電(dian)量(liang)好比是水(shui)桶中存留的(de)(de)水(shui)。充放電(dian)時，BMS會將快滿(man)的(de)(de)“水(shui)桶”里面(mian)的(de)(de)“水(shui)”轉移到較空的(de)(de)“水(shui)桶”中，以(yi)此來保證整(zheng)體(ti)電(dian)池電(dian)量(liang)的(de)(de)均衡(heng)，避免出現過充和過放的(de)(de)問題(ti)。如圖2所示。
圖(tu)2 | BMS電池均衡示意圖(tu)
上(shang)海(hai)航芯BMS應用方案
上(shang)海航芯推出(chu)的(de)BMS應用方案(an)，采用ACM32F403/ACM32G103系(xi)列MCU作為主控芯片(pian)，最(zui)高工作頻(pin)率可(ke)達(da)180MHz/120MHz，內置最(zui)大(da)512KB的(de)eFlash和最(zui)大(da)192KB SRAM，滿足一般(ban)BMS算法(fa)庫的(de)需(xu)求(qiu)。內置2Msps/3Msps采樣(yang)率12位ADC，實(shi)現(xian)對電(dian)芯電(dian)壓、電(dian)流、溫度等信(xin)號的(de)高頻(pin)采樣(yang)。具有USB/UART/CAN/SPI等多種(zhong)通訊(xun)接口，足以應對大(da)多數應用場合(he)（如需(xu)要(yao)485通信(xin)的(de)兩輪(lun)電(dian)動(dong)車(che)，需(xu)要(yao)CAN接口的(de)新能源汽(qi)車(che)等）。基(ji)于ACM32F403/ACM32G103的(de)BMS方案(an)結(jie)構示(shi)意圖如下圖所示(shi)：
圖(tu)3 | BMS系統框圖(tu)
ACM32F4/ACM32G1主控芯(xin)片，通過ADC對敏感信(xin)號進行(xing)采樣，并依照(zhao)BMS算(suan)法庫(ku)計算(suan)得到當前(qian)電(dian)池的SOC、SOH等數(shu)據，執行(xing)均(jun)衡以及熱管理控制(zhi)，保(bao)證電(dian)池處于正常的工作狀(zhuang)態。當出現問(wen)題時，支持在線警報同時給出LED指示信(xin)號。整個系(xi)統的運行(xing)參數(shu)可以通過CAN/USB/UART等接口進行(xing)上報。
