BMS專題之BMS基礎功能模塊特性參數上海航芯解讀

BMS（電池管理系統(tǒng)）的功能模塊由微控制器（MCU）的控制模塊和模擬前端（AFE）的傳感模塊組成。

微控制器單元（MCU）

在BMS中，MCU相當于大腦。MCU通過其外圍設備從傳感器捕獲所有數據，并根據電池組的配置文件處理數據以做出適當的決策。

上海航芯通用MCU ACM32F0系列以其低功耗+1路CAN+10萬次擦寫128K 片上Flash+125度高溫支持；ACM32F4系列以其180MHz STAR-MC1(M33)內核+Flash加速+10萬次擦寫512K片上Flash+2路CAN+125度高溫支持被廣泛應用在BMS場景中。

MCU具有以下功能：

? 監(jiān)控電池

? 保護電池

? 評估電池狀態(tài)

? 優(yōu)化電池性能

? 數據記錄

? 通過通信渠道向用戶或外部設備報告

為了電池安全，MCU具有以下功能：

? 通過停止充電的方式，防止電池組內的電池單元進入過壓狀態(tài)（向接觸器發(fā)出關閉信號）。

? 通過減少/停止電流或激活電池組中的冷卻系統(tǒng)來防止電池組內的電池單元溫度超過閾值上限。這可以保護電池，以免受熱失控而造成安全問題。

? 通過限制/停止放電電流來防止組內電池單元進入欠壓狀態(tài)。

? 通過打開接觸器來保護電池組免受短路和過載的影響。

與MCU連接的BMS基礎功能模塊

MCU會與多個功能塊連接，例如：

霍爾效應電流傳感器（Current Measurement）

電源（Power Supply Unit: PSU）

接觸器（Contact Drive）

SD卡（Data Storage）

實時時鐘和日歷（RTCC）

GPIO 連接器

CAN 連接器

藍牙（BLE）

高壓聯(lián)鎖回路（HV Interlock Loop）

絕緣監(jiān)測裝置（Insulation Monitoring Device : IMD）

電壓測量端口（Voltage Measurement）

ISO-SPI 通道

1. 霍爾效應電流傳感器（Current Measurement）

霍爾效應傳感器放置在由承載電池組電流的電纜產生的磁場內。它產生與該電流成正比的電壓，該電壓可以直接測量，如下圖所示。

霍爾效應傳感器具有以下特點：

? 霍爾效應傳感器報告的電流隨時間和溫度保持準確。

? 霍爾效應傳感器與電池組電流隔離，因此不需要隔離。

? 霍爾效應傳感器在電流為 0 時存在一個隨溫度變化的偏移量。所以，即使它們在室溫下歸零，當它們變熱或變冷時，仍可能在沒有電流時報告一個小電流。因此，在具有 0 電流周期的應用中需要頻繁校準，例如HEV。

霍爾效應電流傳感器是包含自身放大器的模塊，因此，與斷流信號不同，其輸出值處于一個較高的水平。它們可以由 5V 雙向電源供電（可以看到充電和放電電流）。

基于此，雙向傳感器會有一個雙極的輸出，在其輸出為2.5V時可認為電流為0A，實際輸出值將在2.5V上下擺動。電流傳感器產生的電壓輸出將其發(fā)送回 BMS，BMS將根據電流傳感器的靈敏度估算實際電流。

2. 電源（Power Supply Unit: PSU）

MCU的工作需要有電源輸入，可由輔助電源或電池組本身通過 DC-DC 轉換器提供。

3. 接觸器（Contact Drive）

接觸器是一個功能塊，用于電池組和負載或充電電路的連接或隔離。通常，一個電池組系統(tǒng)有 3 種不同的接觸器：

? 充電

? 放電

? 預充電

在類似儲能系統(tǒng)的部分應用中，將只有一個接觸器用于充電和放電。接觸器的切換由 BMS 通過驅動電路控制。BMS將向驅動電路發(fā)出通電信號，從而使接觸器通電以進行操作。接觸器的選擇需根據充電/放電電流。對于低電流和低電壓應用，我們可以選擇基于 MOSFET 的解決方案，而不是接觸器。

4. SD卡 (Data Storage)

它可以存儲BMS的配置文件和電池產生的數據。BMS可以存儲長達 15 年的電池數據。這使用戶可以了解電池組的行為并保護電池免受潛在損壞。

電池分析云平臺“Edison”可以利用這些數據得到以下功能：

? 通過儀表板讓您對電池運行狀態(tài)進行分析和洞察

? 對任何電池的異常運行進行報警并及時采取措施

? 使用機器學習算法提出糾正措施，以防止電池退化并將電池壽命提高40%。

? 通過云平臺向 BMS 推出OTA更新和功能添加

5. 實時時鐘和日歷 (RTCC)

RTCC 用于為存儲在 SD 卡中的數據提供時間戳。這有助于用戶對電池組在任何時間點發(fā)生任何潛在損壞時進行根本原因分析。

6. GPIO 連接器

GPIO 連接器提用于額外功能連接到 BMS，如冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、點火、傳感器等。通過更改配置文件來啟用此功能。

7. CAN 連接器

CAN 連接器接到 MCU，用于內部和外部通信。如果系統(tǒng)中連接了多個 BMS，則需要內部 CAN 通信。外部 CAN 通信通常用于交換電壓、電流、錯誤等信息。外部 CAN 通信通常用于 CAN 充電器、CAN 顯示器、CAN 數據記錄器等。

8.藍牙（BLE）

它是一種與 BMS 通信的無線模式。用戶可以通過藍牙連接電池組，從而可以可視化所有重要的電池信息，如電壓、電流、溫度、SOC、SOH、錯誤等。

9. 高壓聯(lián)鎖回路（High Voltage Interlock Loop）

互鎖PWM回路機制用于檢測高壓設備的篡改或打開以及服務連接斷開。高壓聯(lián)鎖回路 (HVIL) 用于確定高壓系統(tǒng)，例如電源（比如車輛電池）、負載（比如車輛電機）以及它們之間的導體是否已正確連接。如果沒有，電池接觸器不允許閉合，或者如果已經閉合，則發(fā)出斷開指令。

10. 絕緣監(jiān)測裝置（IMD）

IMD 通常用于 EVs 和 ESS 應用，它將確保配備高壓電池組的電動汽車的電氣安全性和可靠性。IMD 在充電或行駛過程中持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中相導體和大地之間的絕緣電阻。

11. 電壓測量端口（Voltage Measurement Port）

終端通過接觸器連接，主要用于焊接檢查、電池總電壓測量和基于電壓的預充電。對于高電壓和高電流應用，接觸器有可能被焊接。

在這種情況下，即使 BMS 發(fā)出斷開信號，也不允許接觸器斷開。因此，BMS 識別出接觸器中發(fā)生了焊接，會通過 CAN 向外部設備發(fā)送警報/錯誤消息以采取緊急措施。

12.ISO-SPI 通道

ISO-SPI 通道用于主機（控制電路）和從機（傳感器電路）之間的內部通信。

模擬前端 (AFE)

AFE 是 BMS 中的集成電路 (IC)，旨在將 BMS 系統(tǒng)設計和操作所需的所有模擬電路封裝到一個小型封裝中。它包含用于測量電池堆中每個電池單元的電壓值。AFE 可以在 0-5V 范圍內測量電池組中的 3 到 15 個串聯(lián)電池。

AFE 在觸發(fā)平衡電路方面也起著重要作用。AFE IC 包含一個內置溫度傳感器，用于測量 BMS 板溫度。AFE 有一個小型的內部數字狀態(tài)機，用于管理IC輸入端的電壓順序測量，并提供 I2C 接口。

AFE 的功能包括：

? 測量每個電池單元的電壓并將其設置到 MCU

? 測量溫度（通常通過 NTC 熱敏電阻）

? 每個單元的平衡電路

連接到 AFE 的 BMS 的基本功能塊，AFE 連接到多個功能塊，例如：

電壓檢測通道

溫度傳感器

GPIO 連接器

平衡器

ISO-SPI 通道

模擬濾波器

AFE電源

1. 電壓檢測通道

電壓感應通道從電池組中的單個電池獲取讀數并將其發(fā)送到AFE，它還充當平衡電池的通道。

2. 溫度傳感器

NTC熱敏電阻溫度傳感器是鋰離子電池安全的關鍵組件。它們提供了在充電/放電循環(huán)期間保持鋰離子電池處于最佳狀態(tài)所需的臨界溫度數據。溫度傳感器將放置在電池組的熱點中，以電壓的形式測量溫度并將數據發(fā)送到 AFE。

3. 平衡器

當電池組中的電池之間出現(xiàn)超過限定的不平衡值時，AFE將向 BMS 中的平衡電路發(fā)出由 MCU 控制的觸發(fā)信號。

4. GPIO 連接器

GPIO 連接器用于額外功能與BMS的連接，如冷卻系統(tǒng)、接觸器控制、加熱系統(tǒng)、點火、傳感器等?？梢酝ㄟ^更改固件來啟動相關功能。

5. ISO-SPI 通道

ISO-SPI 通道用于從設備（傳感器電路）和主設備（控制電路）之間的內部通信。

6. 模擬濾波器

它過濾電壓和溫度測量中的電噪聲。

7. 電源 AFE

它代表 AFE 運行所需的電源單元。通常，該電源單元是從電池堆中取出的。