基于国产电子元器件的电池管理系统设计与实现

江可扬

（武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉，430064）

随着新能源快速发展与应用，锂离子动力电池船舶越来越多地出现在内河及近海。船舱工作环境和工作条件复杂，环境温度、湿度、气压、腐蚀、振动和冲击、输入和输出功率的突变和静态放置等方面的变化对动力电池提出了挑战。而且由于单体锂电池一致性差，工作发热等原因都会造成安全隐患。所以动力电池组需要电池管理系统监测电池组状态，安全、可靠和准确地控制电池组充放电和安全保护。

很多公司和团队也自主研发电池管理系统。现有的产品中，多以意法半导体公司的STM32F 系列ARM 芯片作为控制核心，ADI 公司的电池监控芯片作为前端芯片。国外电子元器件的产能、供货周期、停产等都会影响电池管理系统的生产和使用[1]。设计一款性能满足船用需求的基于国产化器件的电池管理系统有着必要性和紧迫性。

本文将详细阐述国产化电池管理系统硬件设计与实现，并对测试结果进行分析。

综合考虑兼顾成本、开发难度、拓展性等，电池管理系统的功能在硬件上分为控制板和采集板，采用分离设计，分别命名为ВMU和ВCU。电池管理系统功能框图如图1所示[2]。

图1 BMS 样机连接框图

ВMU 模块负责电池组电压采集，电池组电流采集，电池组绝缘检测，通过1 路CAN 与ВCU 单元通信，1 路CAN与外部上位机通信，传输电池组相关状态数据。

ВCU 模块负责单体电池电压采集，单体电池温度采集，开关控制输出，通过CAN 总线连接ВMU 模块传输相关状态数据。

ВCU 和ВMU 模块控制核心均选择华大半导体公司的ARM 芯片HC32F4A0 系列芯片。HC32F4A0 系列芯片是ARMv7-M 架构 32bit Cortex-M4 CPU，集成FPU、MPU，支持SIMD 指令的DSP。最高工作主频 240MHz，达到300DMIPS 或825Coremarks 的运算性能ВMU 模块中，A/D 芯片选择核心互联的CL1606，8 通道，16 位精度。ВCU模块设计架构如图2 所示。

图2 BMU 模块设计框架

ВCU 模块中，电池监控芯片使用杰华特公司JW3302。JW3302 通过SPI 协议与ARM 通信，温度检测模块使用ARM 芯片内部AD 进行转换。ARM 芯片控制均衡单的MOS管控制电池的电压均衡。ARM 芯片通过CAN 通讯与主模块或上位机进行数据交互。ВCU 模块设计架构如图3 所示。

图3 BCU 模块设计框架

图4 绝缘监测电路

■2.1 电池组电压电流采集电路

电池组电压经过电阻分压后（本文中，分压到2/1000），输入到隔离运放NSI1311-DSWVR，该运放为纳芯微公司生产的隔离运放，固定增益为1，差分输出，隔离电压达5000V。运放差分输出接到ADC 芯片CL1606。CL1606 采集位数达16 位。CL1606 采集到的数据直接通过16 位数字输出接口与ARM 连接，ARM 收到数据进行处理。

电池组电流经传感器变换为电压信号，经过共模滤波器和磁珠滤波后，通过电阻分压（本文中，分压到2/5）给到A/D 芯片CL1606，模数转换后给到ARM 处理数据。

电阻分压的比例，可以根据不同电池组型号，进行修改，保证合适测量范围和精度。

■2.2 绝缘监测

通过打开和关闭2 个继电器，检测电池组电压变化，计算出电池组正负极绝缘阻值。

■3.1 电源电路

充分考虑电磁兼容性，输入滤波电路设计如图5 所示，有压敏电阻，电压瞬态抑制器，以及共模滤波器，MOS 管和电阻R333、R337 构成防反接电路，防止电源接线误接；
F1 为熔丝，提供短路或严重过载保护。

图5 电源输入电路

图6 JW3302 外围电路

图7 温度采样电路

系统供电采用电池组取电方式，选择金升阳DC/DC 电源模块URВ4812YMD-20WR3，输入电压范围18～75V，覆盖电池包电压变化范围。

■3.2 电压检测模块

电池的电芯电压与电池管理系统的SOC精确估算息息相关，同时是判断锂电池充放电程度的重要标准之一，是电池主动均衡的重要参考条件之一，关系到电池的使用寿命，为了预防严重过充，电压数据采集要精准、快速。

JW3302 芯片具有12-bit VADC 用于采集电芯电压，共有14 路电压采集通道，内置均衡开关，适用于总压在8～60V 的电池包。测量误差小于1.22mV，可在1.28ms 内完成14 路的电压测量及SPI 传输。

船用锂电池型号种类多，大多数锂电池电芯数集中在8-24 节的范围内。单个JW3302芯片最多监测14 个电芯，为了兼容多种锂电池，设计采用2 个芯片串联的方式，使设计最多可以监测28 个电芯。基本覆盖市场所有锂电池。

■3.3 温度检测模块

锂电池温度的过低或过高会直接影响性能甚至危及安全。锂电池能保持良好工作性能的温度范围为 0℃～40℃区间内。温度过低会降低电解液和锂离子的活性，若长时间处于低温环境下，电池正电极会析出金属锂，给电池造成不可修复性损害。温度过高更容易出现安全隐患，当温度超过 45℃时，破坏化学平衡，电池材料迅速退化，整个电池会胀气鼓包，严重时隔膜变形，导致内部电解液渗出产生爆炸[4]。

ВCU 模块设计了24 路温度采集以满足使用要求。ВCU模块安装位置与NTC 热敏电阻空间距离较近，且路数多，综合考虑使用如图4 所示的分压原理电路，计算热敏电阻上的压降，从而计算出温度。

HC32F4A0 系列芯片支持最多3 路ADC，芯片资源无法同时完成24 路温度采样。增加外部AD 芯片，同时提升了成本及模块尺寸。考虑到电池管理系统对温度采样的精度和实时性要求不高，文中采用8:1 多路选择器，将24 路温度分成3 组，每组8 路，通过ARM 输出3 位地址进行通道选择，通过轮巡的方式循环读取8 路温度。此方案在速度、精度和成本中找到了平衡点。通过公式得到电阻值。其中N 为ARM 的AD 采样原始值。

■3.4 均衡模块

电池的过充过放是造成其快速老化的原因之一。所以在电池充放电过程中需要电压均衡，让各个电池组的电压一致，才能有效长久地使用电池。电池组均衡方式有被动均衡和主动均衡两种。主动均衡有4 种拓扑结构，开关电容拓扑结构、变压器型拓扑结构、DC/DC 变换器型均衡拓扑结构和电感型均衡拓扑结构。在电芯级采用主动均衡效率不高，且外围电路复杂，成本高[5]。本文选择被动均衡，使用电阻发热的形式将电压高的锂电池电量放掉，外围电路设计简单。

为了综合利用光耦的隔离，以及MOS 管的输出特性。文中选择Photo MOS 进行开关控制。通过ARM 的IO 引脚，选择高电压的电芯放电。

在ВMU 和ВCU 模块的PCВ 设计中，需要考虑电磁兼容设计。

敏感器件放置在电路板当中位置，滤波电容放在被滤波器件的相应引脚附件，或在共模电流泄放的路径中。电源层在保证没有串扰发生的情况下尽可能地大，电源层尽量做到与地层相邻，增加电源平面与地平面之间的层间电容，可去高频耦合。特殊信号线如时钟信号、高速信号、敏感信号等布线要注意方法。所有的空置区域都要铺铜处理[6]。

ВMU 和ВCU 模块实物如图8，图9 所示。为了测试方便，设计中选择了3.5mm 宽间距连接器，后续改版中会修改为排线或矩形连接器。

图8 BMU 实物图

图9 BCU 实物图

试验中，对ВMU 和ВCU 的采样精度进行测量，并重点关注了电芯电压采样精度。试验结果如表1 所示。

为了保证试验结果准确，电芯电压的测试中，使用高精度万用表测量每一路电压实际值，与ВCU 模块测量值相减。如图10 所示，3 组24 路电芯采样，误差在±4mV 以内。

图10 电芯电压测试结果

试验结果验证了基于国产电子元器件的电池管理系统，采样精度不弱于使用进口电子元器件的原系统。精度指标满足船用电池管理系统一般要求。

但本文中所进行的试验，全部在实验室环境中进行。装入电池包后，在复杂的温度、湿度、电磁干扰环境下能否稳定运行，还有待进一步的试验验证。

本文梳理了电池管理系统的功能划分，介绍了ВMU 和ВCU 模块的功能组成，详细说明了国产电子元器件的选型，以及关键电路的设计。并着重介绍了PCВ 板的电磁兼容设计。实物试验结果验证了基于国产电子元器件的电池管理系统在性能指标上满足需求，为今后进一步的试验打下了基础。

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