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摘要：以车载电池为能源的电动汽车更符合现代人低碳、环保、节能、减排和绿色的生活观念，但是，目前的电动汽车BMS还存在很多缺陷，安全可靠方面还需要深入探索研究，系统对电池的开发在续航持久、使用年限和自我维护等方面还有很大潜力。本文对电动汽车BMS系统软硬件进行设计，首先对电动汽车BMS设计背景描述，然后完成BMS电源部分、均衡控制、通信功能、温度控制以及电压电流采集功能的软硬件设计。
Abstract： In vehicle batteries for electric cars more accord with modern energy low carbon， environmental protection， energy saving， emission reduction and green life idea， however， the present electric cars BMS still exist many defects， safe and reliable also need to explore research， system for development in the life of the battery lasting， use fixed number of year there is a great potential and self maintenance， etc. In this paper， the software and hardware of electric vehicle BMS system are designed. Firstly， the design background of electric vehicle BMS is described， and then the hardware and software design of power supply， equalization control， communication function， temperature control and voltage and current acquisition function of BMS is completed.
关键词：电动汽车;电池管理系统;软硬件
Key words： electric vehicles;battery management system;the hardware and software
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0214-02
0 引言
在国内，郭伟伟[1]基于BMS电动汽车电池管理系统的相关控制设计内容，详细阐述了BMS的硬件、软件设计。刘太彪[2]应对充电机与车载信号类设备在使用过程中存在干扰现象探究，为新能源汽车的车载设备的发展提供了借鉴。吴津宇[3]等分析在无专业诊断仪情况下如何对商用电动汽车快充系统故障进行诊断和排除。可以看出目前的电动汽车BMS还存在很多缺陷，大量研究人员在电池续航和维护等方面做出努力，本文完成BMS电源部分、均衡控制、通信功能、温度控制以及电压电流采集功能的软硬件设计，实现信息反馈的可靠准确，提高系统处理事件速度和安全型，满足BMS软硬件兼容的特点。
1 电动汽车BMS的硬件设计
汽车BMS硬件设计的质量体现在信息反馈和主控板MUC是否可靠准确;系统的处理事件的速度和系统运行是否安全;除此之外，电池性能的发挥、软硬件是否兼容性同样体现BMS的优劣。汽车BMS硬件设计从各方面综合考虑，电源需要对电路进行开闭控制;充电放电和平衡控制会干扰电池的机能、轮回次数以及电循持久力;电压、电流和温度方面设计是为了准确收集BMS原始参数，使各区域协调分工合作;通信功能是为了使体系内部与外部各组件交流互通。主控板高速数据处理能力和多种通信方式的MUC更适合电动汽车使用。型号STM32F 103RCT6的单片机芯片由ST设计，具备64个引脚适用于本次设计。
1.1 电源部分的设计
汽车BMS主控板需要12V的电源电压，主控板为单元板提供电源;收集电压组件的参数信息，并将霍尔电压传感器的供电电压提升至15V， DFA5-12D15的DC-DC电源把5V或12V的电源电压提升到15V;3.3V或5V满足单元板供电， WD25-12S05的DC-DC电源将12V供电电压降低至5V电压，再经由通过LM1117-3.3的DC-DC电源再低至3.3V。
1.2 充放电控制的设计
汽车BMS的中心控件是电池充放电管控。电池充放电进程中，易产生过饱和或过放电的情况，其会使电池结构造成严峻破坏，如电池容量缩减、放电倍率变低等坏处。利用光耦芯片矩阵对电池充放电进程进行维护，当体系发生事故时，开路光耦芯片矩阵能维护电路体系。电池充电进程是由主控板MCU派出信息闭合光耦阻隔芯片，充电组件Q区域闭合，电池开始接受电能。
1.3 均衡控制的设计
在DC-DC电源充电平衡的根基上设计均衡组件。电池组供给平衡体系的供电电压，还能够将电池充电压降低到满足单体电池供电的要求。均衡组件能够处理并阻扰电磁干涉运作，通过阻扰原件光耦阻隔芯片矩阵，来操纵电能动向用来达到阻隔电磁干涉，平衡供给电能。电路中XRE10/24S05的DC-DC电源通过电池组取得电能，能够把电压從24V变换为5V，并把电池组接纳的18-36V电压降低至5V供给。供给单个磷酸铁锂电池的电压不凌驾3.6V之上，需要通过KIS-3R33电源组件来降低每块电池电压，将5V的电源输出电压变换成3.3V供给。最后经由过程MCU管控光耦芯片矩阵为低电量的单体电池供电，以达到平衡电量的目的。 1.4 通信功能的设计
分布类型BMS的通讯功能可分为CAN总线通信功能由内、外两模块构成，内部模块重点是主控制板MCU与单控制板之间的通讯，外部模块是主控制板MCU与BMS以外的控制组件间的通讯。串行RS-232通信：MCU与显示模块之间的通信。
1.4.1 CAN通信电路 CAN总线是漫衍方式操控连串通讯网络，通讯效率高。CAN总线发收模块使用的是ISO1050芯片，可以隔离干扰，缩小PCB板面积、差分发出和接受信号。需要用拉电阻提高TXD的电流满足ISO1050运行需要。
1.4.2 RS-232通信电路 RS-232是一种串行通信接口，数据传输快，常被应用到计算机与外接设备的连接。RS-232需要通过MAX232芯片逻辑转换才能够连接ECU。此电路由输出线、输入线以及接地线组成，为制止体系杂音滋扰难容，采纳6N137光耦阻隔芯片。
1.5 电压采集功能设计
1.5.1 总电压采集模块设计 汽车BMS经由过程电池组总电压监督控制电动汽车的状况。此电路是通过电阻来承担多余的电压，通过HNV-025A型的电压传感器衡量电压。收集电压信息的组件选择相互兼容的电阻以提升电压传感器收集的准确度。传感器采用U：300V，I：10mA，R：30kΩ。
1.5.2 单体电池电压采集模块设计 各个单体电池机能不能够通过电压来判断是否平衡。单体电池电压的收罗是光耦开关矩阵与ADC共同完成单压收集，全部收集工作以轮询的体例举行。锂电池的电压在极值为3.6V而且ADC吸收的电压不高于3.3V，经由过程电阻分压使其电压下降。按照设定条件设计电压采集电路，采用AQY272EH型号的光耦开关与电源电池相匹配。每当两端电压上升至60V时，电流上升直到2A停止。
1.6 电流采集功能设计 电流传感器收罗电流种类有2种：开环类型电流传感器主要收罗边际电流，结构比较精简且获取数据准确度低，经常使用于大电流的收罗;闭环类型电流传感器反應敏捷、准确度高，经常使用于小电流收罗。CHB-200SF闭环类型各方面数据满足本次设计的要求，所得知被测试电流大小为100A，电流参数反馈给控制板。必须变换电路中的大电流下降至0.05A的电流，接着把电流灯号输出为电压灯号，再由过程电阻进行变化并通过电压跟踪装置反馈至控制板。同时，ADC能吸收到的电压不能超过电压灯号的最大电压，所以电压跟踪装置需经由加法装置和反向放大装置，将电压灯号输出为合适的灯号至MCU的ADC中。
1.7 温度控制功能设计
1.7.1 温度采集模块设计 温度能为SOC估算带来偏差，主控板MCU依据传感器断定目前温度是否需闭合风扇，避免电池工作环境温度太高，温度收集工作经由过程温感器DS18B20负责。
1.7.2 温度控制功能设计 温控组件的目标是确保全部系统工作环境的温度是常规的，防止小块区域或一些电子件过热毁坏，造成严重事故。主控板MCU收集到高于常规工作温度时，温控组件立刻启动，电路中各零部件运作对体系散热。
2 电动汽车BMS的软件设计
本设计采用C语言编程，具有高效简洁、接近底层硬件优点，配合集成开发环境软件Keiluvision5，反复编辑、编译和多次调试主控板和单元板的源代码，以不断提高和完善系统功能，提升精确度和稳定性。
2.1 电压采集程序设计
输入电压信号首先要经过光耦继电器，通过单片机测量单体电池电压，根据电压情况做相应处理，读取ADC转换值之后保存参数;然后利用轮询的体例，经由过程调控光耦开关，对残剩电池电压收集，终了后整合所有收集的电压参数，电压采集工作竣事。
2.2 温度采集程序设计
温度采纳装置选用DS18B20数字传感器，Alone接口就能够完成所有信息的交流。先还原温度传感器，经由过程CAN总线将默认状况信息传递到总线控制器模块，DS18B20传感器归位，同时进入预备姿态，然后对电池温度的丈量，并将其改变成现实的参数经由过程寄存器保存，即完成一次温度采集，再以轮询体例完成其他部件温度收集，最后把全部收集的参数整合并上传。
2.3 均衡控制程序设计
均衡控制程式是针对电路平衡而编译的。电压收集组件取得参数判断电池电压值，电压值若跨越极值，进行下一进程，通过均衡控制程式把电池过剩的电量运输给未饱和的电池完成一次电池平衡，接着采用轮询的体例完成下一次电池平衡，直到所有电池电量保持一致均衡终了。
2.4 电池SOC估算程序设计
需要对体系的一些不定性参数识别，运用此参数来创建相匹配的方程式;然后把所列出的方程式进行线性化处理，对这些不定性参数的默认值进行肯定，用来求解参数矩阵;再对偏差协方差及电池SOC的猜测数据进行盘算，求出其系数并对猜测数据进行批改;末了电池SOC的猜测数据加上猜测数据的批改数据就能够得出其最佳的估计数据，即完成一次电池SOC估算。
2.5 充放电控制程序设计
充电机向MCU发送充电要求，MCU接受到充电要求后对电池状况进行检查，按照检查成果决意是否要给电池充电。若通过充电要求，BNS不会立刻充电，而是按照当前电池的状况判定是否需要充电。倘若需要进行充电，经线路闭合方可充电。然后实时反馈电池电压，当电压值接近3.5V而且维持1秒左右时，充电终了后开路MOSFET管。
2.6 CAN通信功能程序设计
CAN通信功能包括数据收发组件和总线最初化组件。通过对总线等标记部位进行初始化调整，接着对CAN总线的运作形式进行匹配，再对波特率初始化调整。为了调度收发组件，还要对CAN总线的通信功能同步，同步终了初始化完工。
3 结论
随着科技的进步和科研人员的不断研发，汽车BMS功能得到不断被优化完善，电动汽车的发展变得突飞猛进，安全性、可靠性和续航能力都得到极大的提高和改善。本次设计方法与分布式结构法相比，虽没分布式体系那么平稳，但电池组充电均衡策略方面，轮询方式抗干扰能力强，并设计了系统过热保护，可提高MCU安全性能。之后需在电动部件中增强抗磁场干扰能力设计，优化单元控制板可控制的电池数量和良好的自检体系。
参考文献：
[1]郭伟伟.基于BMS电动汽车电池管理系统控制的研究[J].内燃机与配件，2017（17）：112-113.
[2]刘太彪.车载充电机等电源类设备对信号类设备的干扰探究[J].内燃机与配件，2019（11）：206-207.
[3]吴津宇，闫云敬.商用电动汽车快充系统故障诊断和排除[J].内燃机与配件，2020（04）：115-117.
Abstract： In vehicle batteries for electric cars more accord with modern energy low carbon， environmental protection， energy saving， emission reduction and green life idea， however， the present electric cars BMS still exist many defects， safe and reliable also need to explore research， system for development in the life of the battery lasting， use fixed number of year there is a great potential and self maintenance， etc. In this paper， the software and hardware of electric vehicle BMS system are designed. Firstly， the design background of electric vehicle BMS is described， and then the hardware and software design of power supply， equalization control， communication function， temperature control and voltage and current acquisition function of BMS is completed.
关键词：电动汽车;电池管理系统;软硬件
Key words： electric vehicles;battery management system;the hardware and software
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0214-02
0 引言
在国内，郭伟伟[1]基于BMS电动汽车电池管理系统的相关控制设计内容，详细阐述了BMS的硬件、软件设计。刘太彪[2]应对充电机与车载信号类设备在使用过程中存在干扰现象探究，为新能源汽车的车载设备的发展提供了借鉴。吴津宇[3]等分析在无专业诊断仪情况下如何对商用电动汽车快充系统故障进行诊断和排除。可以看出目前的电动汽车BMS还存在很多缺陷，大量研究人员在电池续航和维护等方面做出努力，本文完成BMS电源部分、均衡控制、通信功能、温度控制以及电压电流采集功能的软硬件设计，实现信息反馈的可靠准确，提高系统处理事件速度和安全型，满足BMS软硬件兼容的特点。
1 电动汽车BMS的硬件设计
汽车BMS硬件设计的质量体现在信息反馈和主控板MUC是否可靠准确;系统的处理事件的速度和系统运行是否安全;除此之外，电池性能的发挥、软硬件是否兼容性同样体现BMS的优劣。汽车BMS硬件设计从各方面综合考虑，电源需要对电路进行开闭控制;充电放电和平衡控制会干扰电池的机能、轮回次数以及电循持久力;电压、电流和温度方面设计是为了准确收集BMS原始参数，使各区域协调分工合作;通信功能是为了使体系内部与外部各组件交流互通。主控板高速数据处理能力和多种通信方式的MUC更适合电动汽车使用。型号STM32F 103RCT6的单片机芯片由ST设计，具备64个引脚适用于本次设计。
1.1 电源部分的设计
汽车BMS主控板需要12V的电源电压，主控板为单元板提供电源;收集电压组件的参数信息，并将霍尔电压传感器的供电电压提升至15V， DFA5-12D15的DC-DC电源把5V或12V的电源电压提升到15V;3.3V或5V满足单元板供电， WD25-12S05的DC-DC电源将12V供电电压降低至5V电压，再经由通过LM1117-3.3的DC-DC电源再低至3.3V。
1.2 充放电控制的设计
汽车BMS的中心控件是电池充放电管控。电池充放电进程中，易产生过饱和或过放电的情况，其会使电池结构造成严峻破坏，如电池容量缩减、放电倍率变低等坏处。利用光耦芯片矩阵对电池充放电进程进行维护，当体系发生事故时，开路光耦芯片矩阵能维护电路体系。电池充电进程是由主控板MCU派出信息闭合光耦阻隔芯片，充电组件Q区域闭合，电池开始接受电能。
1.3 均衡控制的设计
在DC-DC电源充电平衡的根基上设计均衡组件。电池组供给平衡体系的供电电压，还能够将电池充电压降低到满足单体电池供电的要求。均衡组件能够处理并阻扰电磁干涉运作，通过阻扰原件光耦阻隔芯片矩阵，来操纵电能动向用来达到阻隔电磁干涉，平衡供给电能。电路中XRE10/24S05的DC-DC电源通过电池组取得电能，能够把电压從24V变换为5V，并把电池组接纳的18-36V电压降低至5V供给。供给单个磷酸铁锂电池的电压不凌驾3.6V之上，需要通过KIS-3R33电源组件来降低每块电池电压，将5V的电源输出电压变换成3.3V供给。最后经由过程MCU管控光耦芯片矩阵为低电量的单体电池供电，以达到平衡电量的目的。 1.4 通信功能的设计
分布类型BMS的通讯功能可分为CAN总线通信功能由内、外两模块构成，内部模块重点是主控制板MCU与单控制板之间的通讯，外部模块是主控制板MCU与BMS以外的控制组件间的通讯。串行RS-232通信：MCU与显示模块之间的通信。
1.4.1 CAN通信电路 CAN总线是漫衍方式操控连串通讯网络，通讯效率高。CAN总线发收模块使用的是ISO1050芯片，可以隔离干扰，缩小PCB板面积、差分发出和接受信号。需要用拉电阻提高TXD的电流满足ISO1050运行需要。
1.4.2 RS-232通信电路 RS-232是一种串行通信接口，数据传输快，常被应用到计算机与外接设备的连接。RS-232需要通过MAX232芯片逻辑转换才能够连接ECU。此电路由输出线、输入线以及接地线组成，为制止体系杂音滋扰难容，采纳6N137光耦阻隔芯片。
1.5 电压采集功能设计
1.5.1 总电压采集模块设计 汽车BMS经由过程电池组总电压监督控制电动汽车的状况。此电路是通过电阻来承担多余的电压，通过HNV-025A型的电压传感器衡量电压。收集电压信息的组件选择相互兼容的电阻以提升电压传感器收集的准确度。传感器采用U：300V，I：10mA，R：30kΩ。
1.5.2 单体电池电压采集模块设计 各个单体电池机能不能够通过电压来判断是否平衡。单体电池电压的收罗是光耦开关矩阵与ADC共同完成单压收集，全部收集工作以轮询的体例举行。锂电池的电压在极值为3.6V而且ADC吸收的电压不高于3.3V，经由过程电阻分压使其电压下降。按照设定条件设计电压采集电路，采用AQY272EH型号的光耦开关与电源电池相匹配。每当两端电压上升至60V时，电流上升直到2A停止。
1.6 电流采集功能设计 电流传感器收罗电流种类有2种：开环类型电流传感器主要收罗边际电流，结构比较精简且获取数据准确度低，经常使用于大电流的收罗;闭环类型电流传感器反應敏捷、准确度高，经常使用于小电流收罗。CHB-200SF闭环类型各方面数据满足本次设计的要求，所得知被测试电流大小为100A，电流参数反馈给控制板。必须变换电路中的大电流下降至0.05A的电流，接着把电流灯号输出为电压灯号，再由过程电阻进行变化并通过电压跟踪装置反馈至控制板。同时，ADC能吸收到的电压不能超过电压灯号的最大电压，所以电压跟踪装置需经由加法装置和反向放大装置，将电压灯号输出为合适的灯号至MCU的ADC中。
1.7 温度控制功能设计
1.7.1 温度采集模块设计 温度能为SOC估算带来偏差，主控板MCU依据传感器断定目前温度是否需闭合风扇，避免电池工作环境温度太高，温度收集工作经由过程温感器DS18B20负责。
1.7.2 温度控制功能设计 温控组件的目标是确保全部系统工作环境的温度是常规的，防止小块区域或一些电子件过热毁坏，造成严重事故。主控板MCU收集到高于常规工作温度时，温控组件立刻启动，电路中各零部件运作对体系散热。
2 电动汽车BMS的软件设计
本设计采用C语言编程，具有高效简洁、接近底层硬件优点，配合集成开发环境软件Keiluvision5，反复编辑、编译和多次调试主控板和单元板的源代码，以不断提高和完善系统功能，提升精确度和稳定性。
2.1 电压采集程序设计
输入电压信号首先要经过光耦继电器，通过单片机测量单体电池电压，根据电压情况做相应处理，读取ADC转换值之后保存参数;然后利用轮询的体例，经由过程调控光耦开关，对残剩电池电压收集，终了后整合所有收集的电压参数，电压采集工作竣事。
2.2 温度采集程序设计
温度采纳装置选用DS18B20数字传感器，Alone接口就能够完成所有信息的交流。先还原温度传感器，经由过程CAN总线将默认状况信息传递到总线控制器模块，DS18B20传感器归位，同时进入预备姿态，然后对电池温度的丈量，并将其改变成现实的参数经由过程寄存器保存，即完成一次温度采集，再以轮询体例完成其他部件温度收集，最后把全部收集的参数整合并上传。
2.3 均衡控制程序设计
均衡控制程式是针对电路平衡而编译的。电压收集组件取得参数判断电池电压值，电压值若跨越极值，进行下一进程，通过均衡控制程式把电池过剩的电量运输给未饱和的电池完成一次电池平衡，接着采用轮询的体例完成下一次电池平衡，直到所有电池电量保持一致均衡终了。
2.4 电池SOC估算程序设计
需要对体系的一些不定性参数识别，运用此参数来创建相匹配的方程式;然后把所列出的方程式进行线性化处理，对这些不定性参数的默认值进行肯定，用来求解参数矩阵;再对偏差协方差及电池SOC的猜测数据进行盘算，求出其系数并对猜测数据进行批改;末了电池SOC的猜测数据加上猜测数据的批改数据就能够得出其最佳的估计数据，即完成一次电池SOC估算。
2.5 充放电控制程序设计
充电机向MCU发送充电要求，MCU接受到充电要求后对电池状况进行检查，按照检查成果决意是否要给电池充电。若通过充电要求，BNS不会立刻充电，而是按照当前电池的状况判定是否需要充电。倘若需要进行充电，经线路闭合方可充电。然后实时反馈电池电压，当电压值接近3.5V而且维持1秒左右时，充电终了后开路MOSFET管。
2.6 CAN通信功能程序设计
CAN通信功能包括数据收发组件和总线最初化组件。通过对总线等标记部位进行初始化调整，接着对CAN总线的运作形式进行匹配，再对波特率初始化调整。为了调度收发组件，还要对CAN总线的通信功能同步，同步终了初始化完工。
3 结论
随着科技的进步和科研人员的不断研发，汽车BMS功能得到不断被优化完善，电动汽车的发展变得突飞猛进，安全性、可靠性和续航能力都得到极大的提高和改善。本次设计方法与分布式结构法相比，虽没分布式体系那么平稳，但电池组充电均衡策略方面，轮询方式抗干扰能力强，并设计了系统过热保护，可提高MCU安全性能。之后需在电动部件中增强抗磁场干扰能力设计，优化单元控制板可控制的电池数量和良好的自检体系。
参考文献：
[1]郭伟伟.基于BMS电动汽车电池管理系统控制的研究[J].内燃机与配件，2017（17）：112-113.
[2]刘太彪.车载充电机等电源类设备对信号类设备的干扰探究[J].内燃机与配件，2019（11）：206-207.
[3]吴津宇，闫云敬.商用电动汽车快充系统故障诊断和排除[J].内燃机与配件，2020（04）：115-117.