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高效提升電池(chi)壽命和安(an)全(quan)性 | 基于ACM32 MCU的BMS應用方案
電池(chi)(chi)管理(li)系統(tong)(tong)（BMS）通過監控電池(chi)(chi)的狀態，智能化管理(li)及維(wei)護各(ge)個電池(chi)(chi)單元，從而防(fang)止電池(chi)(chi)出現過充電和過放電。優質的電池(chi)(chi)管理(li)系統(tong)(tong)能夠最大限(xian)度地延長電池(chi)(chi)整體使用壽命，有效保障設備安全(quan)。
BMS電池管理概(gai)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(yong)(yong)，BMS作為鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)“保姆(mu)”也越來越被大眾(zhong)所關注。相較于(yu)傳(chuan)統電(dian)(dian)池(chi)，鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)具(ju)有更好的(de)(de)能(neng)力密度，更高(gao)的(de)(de)工作電(dian)(dian)壓(ya)，更低的(de)(de)放(fang)電(dian)(dian)率(lv)。但鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)在面(mian)對過充(chong)、過放(fang)等(deng)問題(ti)時，相對脆弱(ruo)。由于(yu)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)組(zu)在生產(chan)制造(zao)(zao)和使用(yong)(yong)過程(cheng)中(zhong)存在的(de)(de)差異性(xing)(xing)，會導致(zhi)(zhi)電(dian)(dian)池(chi)單體(ti)之(zhi)間天然就存在著不一致(zhi)(zhi)性(xing)(xing)。這種不一致(zhi)(zhi)性(xing)(xing)主要表現(xian)在單體(ti)容量、內(nei)阻(zu)、自(zi)放(fang)電(dian)(dian)率(lv)、充(chong)放(fang)電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)等(deng)方面(mian)。單體(ti)的(de)(de)不一致(zhi)(zhi)，會進一步(bu)導致(zhi)(zhi)過充(chong)、過放(fang)等(deng)問題(ti)，進而造(zao)(zao)成電(dian)(dian)池(chi)壽命下降(jiang)甚至死亡或損壞。
圖(tu)1 | 容量不(bu)一致(zhi)時充放電(dian)過程示意圖(tu)
如圖(tu)1所示，由(you)于(yu)(yu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)單體(ti)的差異，在充(chong)(chong)電(dian)(dian)時，低容(rong)量(liang)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)已(yi)飽(bao)和，而較大(da)(da)容(rong)量(liang)的電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)量(liang)未(wei)滿，此時對于(yu)(yu)小容(rong)量(liang)單體(ti)來說(shuo)，則處于(yu)(yu)過充(chong)(chong)狀(zhuang)態。相反(fan)，放電(dian)(dian)時，較大(da)(da)容(rong)量(liang)的電(dian)(dian)池(chi)(chi)仍然(ran)處于(yu)(yu)放電(dian)(dian)狀(zhuang)態，而小容(rong)量(liang)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)量(liang)已(yi)空。有研究表(biao)明，單體(ti)電(dian)(dian)芯20%的容(rong)量(liang)差異，會帶來超過40%的容(rong)量(liang)損失。
而(er)BMS模塊則是為避(bi)(bi)免該問(wen)(wen)題(ti)的(de)(de)(de)出(chu)現而(er)存在(zai)。BMS會實時監(jian)測單體(ti)的(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)(liang)，并采用(yong)電(dian)(dian)池(chi)(chi)均衡(heng)手段來保證(zheng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)正常工作。將不(bu)同容(rong)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)單體(ti)比(bi)(bi)作體(ti)積不(bu)同的(de)(de)(de)水(shui)桶，而(er)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)好比(bi)(bi)是水(shui)桶中存留的(de)(de)(de)水(shui)。充放電(dian)(dian)時，BMS會將快滿的(de)(de)(de)“水(shui)桶”里(li)面的(de)(de)(de)“水(shui)”轉移(yi)到較空(kong)的(de)(de)(de)“水(shui)桶”中，以此(ci)來保證(zheng)整體(ti)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)均衡(heng)，避(bi)(bi)免出(chu)現過充和過放的(de)(de)(de)問(wen)(wen)題(ti)。如(ru)圖2所(suo)示。
圖2 | BMS電池均衡(heng)示意圖
上(shang)海航(hang)芯BMS應用方案
上海航芯(xin)推出(chu)的(de)BMS應(ying)用(yong)方案(an)，采用(yong)ACM32F403/ACM32G103系列MCU作(zuo)為主控芯(xin)片，最高工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)可(ke)達180MHz/120MHz，內(nei)置最大512KB的(de)eFlash和最大192KB SRAM，滿足一般BMS算(suan)法庫的(de)需(xu)求。內(nei)置2Msps/3Msps采樣率(lv)12位(wei)ADC，實現對(dui)電(dian)芯(xin)電(dian)壓、電(dian)流(liu)、溫度等信(xin)號的(de)高頻(pin)采樣。具有USB/UART/CAN/SPI等多(duo)種通訊接(jie)口，足以應(ying)對(dui)大多(duo)數應(ying)用(yong)場合(he)（如需(xu)要(yao)485通信(xin)的(de)兩(liang)輪電(dian)動車，需(xu)要(yao)CAN接(jie)口的(de)新(xin)能(neng)源汽車等）。基于ACM32F403/ACM32G103的(de)BMS方案(an)結構示(shi)意圖(tu)如下圖(tu)所(suo)示(shi)：
圖3 | BMS系(xi)統框圖
ACM32F4/ACM32G1主控芯片，通過ADC對敏感信號進行(xing)采樣(yang)，并依照BMS算法庫(ku)計算得到當前電池的SOC、SOH等數(shu)據，執行(xing)均(jun)衡以及熱管理控制，保(bao)證電池處于正(zheng)常的工(gong)作狀態。當出現問題時，支(zhi)持在線警報(bao)同時給出LED指示信號。整(zheng)個系統(tong)的運行(xing)參數(shu)可(ke)以通過CAN/USB/UART等接口進行(xing)上報(bao)。
