1、新一代高性能車載BMS主控模塊的研發背景與介紹隨著動力電池企業擴產速度的加快以及新能源汽車保有量的迅速增加，動力電池管理系統（BMS）的重要性日益突出。由于具有電池監控、荷電狀態（SOC）評估和電壓均衡三大功能，BMS在保障動力電池安全和提高電池壽命兩方面具有無法替代的核心地位，受益于下游新能源汽車的旺盛需求，BMS的市場規模隨之加速擴大，保守估計到2020年市場規模將超百億元。1 BMS的組成和工作原理BMS之于動力電池最核心的三大功能為電芯監控、SOC估算以及單體電池均衡，通過合理設計并配置BMS，不僅可以顯著提高動力電池的安全性能，還可以有效提高電池的使用壽命。業內普遍認為，通過合理配置

2、BMS，可以有效提升電池使用壽命20%以上。圖1 BMS組成結構圖BMS一般分為主控模塊（一級模塊）和從控模塊（二級模塊）兩部分，從控模塊主要負責電池電壓、溫度、電流等監測數據的采集以及均衡控制，主控模塊主要負責SOC估算、繼電器驅動以及電氣傷害保護。主控模塊與從控模塊通過高可靠的數據傳輸通道進行指令與數據的雙向傳輸。一套BMS由一個主控模塊和若干個從控模塊組成，從控模塊的使用數量與電池單體的個數正相關，一般純電動乘用車需要從控模塊4個左右，純電動客車需要810個從控模塊不等。電池單體電壓監測的目的主要在于通過壓差判斷電池的差異性以及檢測單體的運行狀態，此外還可以通過簡單累加得到電池組的總電壓

3、。除此以外，電池組的總電壓仍需要單獨測試以備繼電器的診斷。電池組電壓的測試結果對于電池SOC的估算具有重要意義，是計算電池組各參數的重要參量。溫度的測量對于電池組工作狀態的評估意義不言而喻，其中包含單體電池的溫度測量和電池組總線結點溫度監測。前者需要精確設計好溫度傳感器的放置位置以及使用個數，其要與BMS控制模塊形成良好的協調，此外，不同溫度區間對于BMS模塊的精度要求也有不同，一般涉及到分級管理的概念。在-40-10時，監測精度無須太高，原因在于電池系統本身需要加熱；而溫度在-1010以及臨近40的高溫臨界點時，溫度對于電池性能具有重大影響，該溫度區域需要重點監控，監測精度相應需要提高。電池

4、組整體溫度的監控重點在于入口和出口處的結點溫度，其監測精度的選擇與單體電池類似。單體電芯SOC估算是BMS中的重點和難點，是其他多項功能的核心基礎信息來源，解決了SOC問題，其他功能才可以通過集成現有的傳感器、自動化設備以及計算芯片和軟件來實現。目前最常采用的估算方法是安時積分法和開路電壓標定法。通過建立電池模型和大量數據的采集，將實際數據與計算數據進行比較，是目前的主流做法。一個由不同單體電池串聯組成的電池組，在工作過程中，由于單體電池容量輸入總不會一樣，不可避免的會存在不均衡的現象。由于電池在工作過程中不僅有過放電和過充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，輸入和輸出的功率也存在限制，因

5、而在電池組的工作過程中，部分單體電池會由于工作在超限范圍而對自身性能產生損害，這種損害隨著循環過程的進行不斷積累，最終導致電池壽命的減少和安全問題的發生。電池均衡技術的實質就是通過人為干預的方法（采用有源或者無源電子線路）使電池組內的所有電池綜合能量趨于一致。常見的均衡技術分為有損無源和無損有源兩種，即我們常說的被動均衡和主動均衡。采用主動均衡技術時單體電池一般外加DC/DC電路，利用能量補充或者能量轉移的方式實現電池均衡的目的，在充電及放電過程中實現均衡；被動均衡是通過外接電阻將能量較高的電池消耗至設定值。主動均衡對電壓采集精度要求較高，電路結構也較復雜。被動均衡雖然結構簡單，但其只能在電池

6、充電時實現均衡的效果，能量利用率較低。相比而言，由于主動均衡技術能量利用率較高，充放電時都可以達到電池均衡的效果，因而是未來的發展方向。SOC估算算法、絕緣電阻測量算法以充放電保護策略和均衡策略的實現主要取決于主控模塊的硬件資源和軟件思想，因此可以說主控模塊是BMS的決策中樞和關鍵組成部分。2 客戶對主控模塊的特殊需求BMS作為一個細分領域發展不過短短五六年的時間，其發展源于動力電池成組時對電池一致性和工作狀態的管理要求。消費電子類時代，電池容量小且數量少，彼時尚無BMS的概念；進入電動自行車時代，對于電池的監控有一定要求，BMS的雛形開始顯現；直到電動汽車在國家政策驅動下進入示范生產階段，B

7、MS作為一個細分領域才逐漸為人所知。主控模塊是BMS的控制核心，其承擔的工作任務包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計和通訊管理等。電池的容量發揮和工作狀態取決于BMS，整車的動力輸出、車輛續航里程及行駛狀態控制取決于BMS，因此隨著電動汽車行業的迅猛發展，整車企業和電芯企業對BMS的性能要求越來越嚴苛。我司成立于2010年，一直致力于科技創新，形成了以整車控制器VCU和電池管理系統BMS為核心，涵蓋電機、電控和電池的成套解決方案，全面覆蓋純電動、插電式混合動力、非插電式混合動力等主要技術路線。產品已于2011年投入量產，所提供的產品和服務

8、，廣泛應用于公交、客運、物流、環衛等眾多新能源汽車領域。經過多年的技術積累和現場實踐經驗，客戶對BMS如下幾個方面提出了較多的要求。2.1 充電接口和通信協議的不統一截至目前，電動汽車充電接口及通信協議5項國家標準一共有兩個版本，老的是2011頒布的，新的是2015年頒布實施的。主要區別在于2015新國標主要增加了對電動汽車電池電壓檢測功能，檢測電池電壓是否在充電樁輸出的最大電壓和最小電壓之間，同時也檢測電動汽車發送過來的報文是否和電池電壓一致，另外在交流充電接口CC信號的檢測電阻上也有較大區別。鑒于前幾年，在國家相關政策的大力推動下，新能源汽車產業駛入了發展的快車道。配套充電設施在需求方的推

9、動下也進行大力建設和發展，2015版新國標的推出使得舊國標充電設施不再兼容，但是投資方卻不愿讓已經建設好的充電站廢棄不用，這便要求BMS廠家對自身產品進行改動，以便能同時兼容新舊充電國標。2.2 數據存儲和查詢功能電動汽車車載電磁環境非常復雜，各種干擾因素難以定位，因此在行車過程中可能出現異常下電和設備損壞的現象，抑或電池組充放電時應該動作保護卻未按照預期設計動作等等。為了便于事后查找故障原因，分析問題，定位責任歸屬，整車企業就要求BMS具有數據存儲和查詢功能。數據存儲以時間（年/月/日/時/分）為基礎參數，附帶記錄信息包括單體電壓、總電壓、充/放電容量、充/放電電流、溫度、絕緣電阻等，形成S

10、OE記錄，以便于事后分析。2.3 遠程數據傳輸和后臺監控功能后臺系統是集顯示實時數據、主控器運行參數設置和保存實時與歷史數據于一體的多功能電腦軟件。它配合現場工作人員調試BMS，并且可提供給客戶用來分析電池運行使用情況。調度工作人員可以調用指定動力電池和車輛信息的歷史數據，可以把指定的歷史數據導出為Excel表格，方便對車輛電池歷史數據進行分析，統計電池性能；通過對車輛電池運行狀態的大數據分析，提升SOC/SOH精度，精準調度電池運營，實現對BMS的遠程管理和監控，整體系統結構如圖2所示。結合客戶的需求，我司后臺監控系統擬實現以下兩點功能： 使用高德云圖API實現對附近自定義服務網點的檢索和定

11、位，并可以提供到目標服務網點的導航服務。 通過查詢云數據庫實時監控車輛電池和動力系統狀態包括總電壓、總電流、溫度、SOC、最低最高單體電壓、最低最高單體溫度，并能實時繪制總電流-時間、總電壓-時間、SOC-時間曲線。圖2 后臺系統整體結構3 主控模塊全新方案的提出我司31系列主控模塊采用“TMS320F2808PZA+MC9S12G64”的處理器平臺結構，其硬件資源基本實現了以往電動汽車對BMS的要求，輔助CPU芯片僅僅為了增加一路CAN通信功能。隨著用戶對BMS愈來愈嚴苛的信息處理速度以及防護等級要求，我們對主控模塊重新進行了優化和布局，采用Freescale基于PowerPC架構的MPC5

12、644A控制器作為其處理內核，無論其運算處理速度還是硬件資源都大大滿足了現場對BMS的功能要求。3.1 處理器平臺的選擇主控芯片MPC5644A（產品序列號：SPC5644AF0MLU1）是基于PowerPC架構的e200z4高性能處理器，它最初是為汽車電子領域開發的，但其卓越的性能使其在其他許多不同的領域也得到了廣泛的應用，如工業、商業和航空航天等。MPC5644A片上集成了非常豐富的功能模塊，如圖3所示，系統無須再外接這些功能的控制驅動芯片，大大減少了硬件布線并降低了系統成本，為系統可靠性提供了有力的保證。此外，MPC5644A中央處理單元的浮點數處理能力能夠滿足復雜控制算法對計算任務和浮

13、點數運算能力的要求。同時，選擇這款芯片也是為了今后過渡到車載控制器和多功能汽車電控單元的研發提前進行技術積累和鋪墊。圖3 MPC5644A模塊框圖MPC5644A的主要資源可歸納為：集成電源管理和內存保護單元；支持Nexus和JTAG兩種調試方式；可以處理多達287個中斷源，具有16個優先級，并支持多達15級的中斷嵌套；2個12位的增強型隊列式模/數轉換模塊（eQADC）；3個控制器局域網（FlexCAN），支持CAN總線規范2.0B；3個解串/串行外設接口（DSPI），可配置為SPI、DSI和CSI三種操作模式；3個增強型串行通信接口（eSCI），支持低成本的LIN（Local Interc

14、onnect Network，本地內聯網）總線通信協議；1個FlexRay通信控制器，符合FlexRay通信協議V2.1；64通道的增強型直接內存訪問控制器（eDMA），在片內I/O外設和片內存儲器之間進行雙向批量數據傳輸，節省內核帶寬；32通道的第二代增強型定時器處理單元（eTPU2），完成和定時相關的硬件I/O端口處理任務，而不需要處理器的參與；24通道的增強型模塊化I/O系統（eMIOS），具有GPIO、SAIC、SAOC、OPWMB、IPM、IPWM、DAOC、MCB、OPWFMB 9種功能。3.2 硬件總體規劃主控模塊整個硬件電路采用區域化設計，以降低互擾，共分為電源部分、CPU核心

15、部分、模擬量輸入（遙測）部分、開關量輸入（遙信）部分、通信部分以及開關量輸出（遙控）等部分，如圖4所示。輸入部分初步規劃，包括電流霍爾傳感器、溫度傳感器、油門踏板、剎車踏板等模擬量輸入，8路開關量輸入；輸出部分包括10路驅動繼電器/接觸器線圈的遙控出口；通信部分包括3路CAN，分別與動力總成、充電機和內部其他模塊通信；2路RS485，分別于觸摸屏和GPRS模塊通信；1路LIN和1路雙通道FlexRay擴展備用。圖4 硬件功能模塊規劃圖4 新一代主控模塊的技術優勢Ø 采用32位基于PowerPC架構的MPC5644A作為其處理內核，能夠滿足復雜控制算法對計算任務和浮點數運算能力的要求，

16、大大減少了硬件布線并降低了系統成本，系統擴容升級方便，可靠性更高。Ø 可以采集各個單體電芯的電壓和溫度，以及總壓、充放電電流等數據，并進行排序，篩選和分析；實現各類超限、故障的報警，充放電保護，SOC/SOH估算、均衡管理等功能。Ø 具有3路高速獨立CAN2.0總線，能夠與其他組件進行通訊和控制，通過獨立CAN總線與行車控制器通訊，轉發當前電池系統信息；通過獨立CAN總線與充電機進行通訊，以此實現對充電過程的控制和管理。Ø 具有2路獨立RS485功能，可用于鏈接上位機，GPRS模塊或藍牙模塊等外部裝置。Ø 能夠實時監測車載環境的絕緣狀況，計算正負母線絕緣

17、電阻，實時保護設備裝置工作正常以及人身安全。Ø 帶有內置晶振和充電電池的實時時鐘芯片,時鐘精度為±5ppm，年誤差小于2.5分鐘，掉電系統時間不丟失。Ø 軟件設計上具有數據存儲和查詢功能，能記錄保護與告警、掉電、故障等異常信息，并以時間（年/月/日/時/分）為基礎記錄參數：單體電壓、總電壓、充/放電容量、充/放電電流、溫度等；存儲內容可通過監控接口讀??；宜可外接存儲介質，自動讀取存儲信息，存儲信息為EXCEL格式。Ø 可以采集油門踏板、剎車踏板等車載總成模擬量信號，具有8路12V/24V干接點和濕接點遙信采集功能，具有8路低邊開關量輸出和2路高邊開關量輸

18、出功能，可以有效采集車載總成開關狀態信號以及控制多路高壓繼電器，低邊開關持續通過電流能達到3-5A，高邊開關持續電流能達到2.9A。Ø 支持動力電池和車輛信息的數據無線遠傳，通過上位機可以把指定的歷史數據導出為Excel表格，方便對車輛電池歷史數據進行分析，統計電池性能；通過對車輛電池運行狀態的大數據分析，提升SOC/SOH精度，精準調度電池運營，實現對BMS的遠程管理和監控。5 端子定義及外形尺寸5.1 外形尺寸長*寬*高 = 206mm * 135mm * 36.5mm圖5 主控模塊外形尺寸圖5.2 端子定義圖6 主控模塊端子定義表1 主控模塊端子定義位號定義位號定義位號定義位號

19、定義位號定義1CHARGE_AC1710V_IN-33CAN1-L49DI-4-PAS65VBAT+2CHARGE_DC18CAN1-H34CAN2-L50DI-5-PAS66DO-YK103GND19CAN1-RL35CAN3-H51DI-7-PAS67DO-YK14GND20DI-1-PAS36485B-152DI-TEST-A68DO-YK255V_IN-21CAN3-L37DI-4-ACT53GND69DO-YK5610V_IN+22DI-3-ACT38485A-254GND70DO-YK675V_IN+23485B-239DI-6-PAS55GND71DO-YK78CAN2-RL24

20、DI-6-ACT40DI-8-ACT56NTC472DO-YK89DI-2-PAS25DI-8-PAS41GND57NTC273DO-YK310DI-2-ACT26GND42CC58VBAT+74VBAT+11485A-127GND43AGND59DO-YK975VBAT+12DI-5-ACT28BAT_P44+12VDC60GND76VBAT+13DI-7-ACT29ON_STATE45CAN2-H61GND77VBAT+14DI-TEST-B30CC246DI-1-ACT62GND78VBAT+15GND31-12VDC47CAN3-RL63NTC379VBAT+16CP32CT-OUT4

21、8DI-3-PAS64NTC180DO-YK4注意：低邊開關DO-YK1DO-YK8閉合后將會連接到電源負GND，高邊開關DO-YK9、DO-YK10閉合后將會連接到電源正VBAT+；CHARGE_AC、CHARGE_DC、BAT_P、ON_STATE在外部將會連接到電源正VBAT+，DI-1-PASDI-8-PAS、DI-TEST-B在內部已經連接到了電源正VBAT+。因此在調試接線過程中，電源正VBAT+、高邊開關DO-YK9、DO-YK10、，DI-1-PASDI-8-PAS、DI-TEST-B以及CHARGE_AC、CHARGE_DC、BAT_P、ON_STATE這些端子引線需要盡量放

22、置在一起，并與電源負GND以及低邊開關DO-YK1DO-YK8分開，避免混放而造成短路。表2 主控模塊端子功能定義位號網絡標號功能定義其他1CHARGE_AC交流充電樁輔助電源“正”2CHARGE_DC直流充電樁輔助電源“正”3GND電源地或信號地建議接直流充電樁輔助電源“GND”4GND電源地或信號地建議接交流充電樁輔助電源“GND”55V_IN-5VDC量程模擬信號負輸入端610V_IN+10VDC量程模擬信號正輸入端75V_IN+5VDC量程模擬信號正輸入端8CAN2-RLECU整車控制器CAN通訊終端電阻接入端CAN2-RL與CAN2-H擰在一起后，即接入了120終端電阻9DI-2-P

23、AS第2路干結點遙信接入端10DI-2-ACT第2路濕結點遙信接入端，或與DI-2-PAS結合組成第2路干結點遙信接入端11485A-1第1路RS485的A輸入端優先接GPRS模塊或藍牙模塊12DI-5-ACT第5路濕結點遙信接入端，或與DI-5-PAS結合組成第5路干結點遙信接入端13DI-7-ACT第7路濕結點遙信接入端，或與DI-7-PAS結合組成第7路干結點遙信接入端14DI-TEST-B測試程序外部觸發有源端將DI-TEST-B與DI-TEST-A擰在一起，CPU將運行測試程序15GND電源地或信號地建議接?；痣娫础癎ND”16CP交流充電樁CP信號接入端1710V_IN-10VDC

24、量程模擬信號負輸入端18CAN1-HBMS內CAN_H端19CAN1-RLBMS內CAN通訊終端電阻接入端CAN1-RL與CAN1-H擰在一起后，即接入了120終端電阻20DI-1-PAS第1路干結點遙信接入端21CAN3-L充電機CAN_L端22DI-3-ACT第3路濕結點遙信接入端，或與DI-3-PAS結合組成第3路干結點遙信接入端23485B-2第2路RS485的B輸入端優先接上位機等24DI-6-ACT第6路濕結點遙信接入端，或與DI-6-PAS結合組成第6路干結點遙信接入端25DI-8-PAS第8路干結點遙信接入端26GND電源地或信號地預留27GND電源地或信號地建議接交流充電樁輔

25、助電源“GND”28BAT_P?；鸾尤攵?9ON_STATE“ON”檔信號接入端30CC2直流充電樁CC2信號接入端31-12VDC12VDC電源“負”用于給霍爾電流傳感器供電32CT-OUT霍爾電流傳感器輸出端霍爾電流傳感器輸出引腳33CAN1-LBMS內CAN_L端34CAN2-LECU整車控制器CAN_L端35CAN3-H充電機CAN_H端36485B-1第1路RS485的B輸入端優先接GPRS模塊或藍牙模塊37DI-4-ACT第4路濕結點遙信接入端，或與DI-4-PAS結合組成第4路干結點遙信接入端38485A-2第2路RS485的A輸入端優先接上位機等39DI-6-PAS第6路干結點

26、遙信接入端40DI-8-ACT第8路濕結點遙信接入端，或與DI-8-PAS結合組成第8路干結點遙信接入端41GND電源地或信號地預留42CC交流充電樁CC信號接入端43AGND12VDC電源“GND”用于給霍爾電流傳感器供電44+12VDC12VDC電源“正”用于給霍爾電流傳感器供電45CAN2-HECU整車控制器CAN_H端46DI-1-ACT第1路濕結點遙信接入端，或與DI-1-PAS結合組成第1路干結點遙信接入端47CAN3-RL充電機CAN通訊終端電阻接入端CAN3-RL與CAN3-H擰在一起后，即接入了120終端電阻48DI-3-PAS第3路干結點遙信接入端49DI-4-PAS第4路干結點遙信接入端50DI-5-PAS第5路干結點遙信接入端51DI-7-PAS第7路干結點遙信接入端52DI-TEST-A測試程序外部觸發有源端將DI-TEST-A與DI-TEST-B擰在一起，CPU將運行測試程序53GND電源地或信號地建議接高邊開關 “GND”端54GND電源地或信號地建議接溫感NTC4“GND”端55GND電源地或信號地建議接溫感NTC2“GND”端