【导读】感谢网友Sean的投稿！本文为大家介绍一种快速开发BMS的技术方案，方案涉及系统架构、硬件与软件，可以有效提高开发效率，大幅削减BMS开发工作量。同时，对电池均衡、SOC估算、通信协议等BMS关键技术进行了具体分析并给出了解决方案。方案经过多款电动汽车的实车验证，取得了良好的实际效果。
电池管理系统(BMS)监控电池组中各单体电池的状态，管理电池组的使用过程，维持电池组中单体电池的状态一致性，从而起到保障电池安全，提高电池寿命的作用。国内外所有上市的电动汽车（包括纯电动汽车与混合动力汽车）都装备了BMS，BMS已经成为现代电动汽车的关键零部件之一。
BMS的功能主要包括：
电池单体电压、电流、温度信号采集
电池组总电压、电流信号采集
电池荷电状态SOC/健康状态SOH估算
电池单体一致性均衡
智能充电控制
动力母线预充电控制
绝缘电阻检测
电池组热管理
过流、过压、过热保护
1 系统架构
本方案使用主从式的BMS系统架构，即一个主控模块+若干采集模块的方式，主控模块与采集模块之间通过CAN通信，如图1所示。主从式BMS布局灵活，方便检修，便于日常维护，适用于各类纯电动汽车与混合动力汽车。
2 硬件方案
BMS需要能够正确采集所有电池单体与传感器的信号，准确控制所有执行器的动作，由于BMS功能的多样性与复杂性，要求BMS硬件运算速度快，存储空间大，同时，为了用于实验室、台架、装车等各个阶段，要求硬件防护等级高，可靠性好，坚固耐用。
本方案主控模块硬件使用RapidECU-U1快速原型控制器，其技术参数如表1。RapidECU是汽车行业广泛使用的产品级快速原型控制器，可以在电控系统的开发过程中替代产品控制器硬件，通过自动代码生成技术，将建模与仿真阶段所形成的控制算法模型下载到快速原型控制器硬件中，并连接实际被控对象，进行控制算法的硬件在环仿真验证和实物验证，并在开发阶段早期实现测量标定。
使用RapidECU-U1系列产品作为BMS主控模块硬件的优势主要包括：
1、产品原型，集成信号调理与功率驱动电路
2、搭载Freescale高性能MPC5554芯片
3、适合实验室、台架、装车等各个阶段
4、高性价比的紧凑型硬件，坚固耐用
采集模块使用RapidECU-B1，其技术参数如下：
1、电压检测通道数量：2~12
2、温度检测通道数量：1~16
3、单体电压检测精度：±5mV
4、总电压采集范围：0~1000V
5、总电压检测精度：±0.5%
6、低端驱动通道数量：1~4
7、电压检测循环周期：<15ms
8、工作温度：-40℃~85℃
3 软件方案
由于BMS功能的多样性与复杂性，BMS软件十分复杂，为适应不同的车型以及同一车型的升级换代，软件还需要反复修改，这对软件开发者提出了一大挑战。如果使用传统手工编程的开发方式，开发工作量巨大，软件的可维护性较差，造成开发周期与开发成本的不可控。本方案使用了全自动代码生成的软件开发方式，整个控制器的软件代码都由MATLAB/Simulink/ECUCoder自动代码生成工具生成，控制器软件开发的整个过程都以图形化建模的方式来实现，用户无需手工编程，无需手工代码集成，也无需代码移植。
全自动代码生成可以有效提高开发效率，大幅削减控制器软件开发的工作量。在绝大部分应用中，借助全自动代码生成技术至少可以缩短50%开发周期，降低80%开发成本。
使用MATLAB/Simulink/ECUCoder作为BMS软件开发解决方案的优势主要包括：
1、自动代码同时生成基础软件与应用软件，无需手动集成
2、功能强大的GUI界面，可直接从模型访问并配置整个基础软件
3、代码可靠，代码可读性与执行效率良好折中
4、同时提供芯片级模块库与控制器级模块库，支持用户自主开发的控制器硬件
5、在BMS软件中，将BMS的基本状态分为上电、就绪、高压关闭、高压预充电、高压使能、故障等几种状态，各种状态的转换逻辑如下图所示。
4 关键技术描述
4.1 电池均衡
由于电池制作工艺等原因，不同电池单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异导致即便串联蓄电池组每个单体的充放电电流相同，也会使每个单体的容量产生不同，进而影响整个电池组的工作。最坏的情况，在一个蓄电池组中，有一个单体的剩余容量接近为100%，另一个单体的剩余容量为0，则这个蓄电池组既不能充电也不能放电，完全不能使用。因此对电池容量的均衡是非常重要的，尤其是在电动汽车大量电池单体串联使用的情况下。
电池均衡的方式有很多种，按照使用的元器件不同可以分为电阻均衡，电容均衡，电感均衡，变压器均衡与DCDC均衡，按照能量去向不同可以分为被动均衡与主动均衡。
被动均衡将容量较多的电池电量通过电阻消耗来达到均衡，主动均衡将容量较多的电池电量转移到容量较少的电池达到均衡，两种均衡方式的对比见表2。
被动均衡效率低，但是系统复杂度低，成本低，适用于中小容量电池组的均衡；主动均衡效率高，但是系统复杂度高，成本高，适用于大容量电池组的均衡。本方案根据用户所用电池组的容量、均衡效率以及成本综合考虑，选用被动均衡或者主动均衡。
4.2 SOC估算
电池的荷电状态SOC描述了电池的剩余电量，是电池在使用过程中最重要的参数之一。准确估计SOC可以防止电池的过充电或者过放电，有效延长电池的使用寿命，并且在电动汽车的行驶中可以预知可续驶里程。由于SOC估算受温度、老化、充放电倍率、自放电等因素的影响，使得电池在实际应用中呈现为高度的非线性，导致SOC的精确估算十分困难。关于锂电池的部分特性，参见图6~图8。
SOC的估算方法较多，主要包括：
放电试验法
安时计量法
开路电压法
负载电压法
内阻法
模糊逻辑法
神经网络法
卡尔曼滤波法
以上各种方法在电动汽车上应用时，都存在一定的缺陷：放电试验法需要中断电池的正常充放电；安时计量法存在误差累计；开路电压法动态误差较大；内阻法受温度影响较大；模糊逻辑法依赖工程经验；卡尔曼滤波法依赖精确的电池模型。
本方案采用一种以安时计量法为基础，利用电池静止状态下的开路电压法来消除累计误差的SOC估算方法，其关键在于电池充放电状态与静止状态的准确判断。试验结果表明，采用此SOC估算方法，SOC估算误差在5%以内。
4.3 通信协议
本方案使用基于CAN总线的通信方式，主要包括3部分：
（1）BMS内部主控模块与采集模块之间的CAN通信；
（2）BMS与整车控制器等动力系统控制单元的CAN通信；
（3）BMS与非车载充电机之间的CAN通信。
BMS内部主控模块与采集模块之间的CAN通信主要传递电池单体电压、温度、均衡指令、继电器动作指令等信息，通信协议为BMS 内部通信协议。BMS与整车控制器等动力系统控制单元的CAN通信主要传递电池组总电压、电流、温度、SOC、BMS状态、故障信息及处理策略等信息，通信协议按照整车厂整车CAN网络通信协议制定与实现，主要是动力CAN网络通信协议。BMS与非车载充电机之间的CAN通信主要传递充电机与车辆辨识、电池充电参数、电池充电总状态、充电机充电状态等信息，通信协议可以按照国家标准《GB/T 27930-2011 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》实现，也可以按照整车厂整车CAN网络通信协议制定与实现，主要是充电机与BMS之间的通信协议。
5 结语
本文提出了一种高效开发BMS的技术方案，硬件采用快速原型控制器RapidECU，软件使用全自动代码生成工具MATLAB/Simulink/ECUCoder。BMS状态转换逻辑、SOC估算、通信协议等均采用图形化建模的方式开发并借助快速原型控制器快速验证，有效提高开发效率，大幅削减BMS开发工作量。方案经过多款电动汽车的实车验证，取得了良好的实际效果。
