BMS软硬件设计规范.docx
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BMS软硬件设计规范
项目编号：
项目名称：
电池管理系统（BMS）
文档版本：
第1.0版
批准
审核
校对
设计
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技术部
2015年06月02日
1BMS产品结构
电动汽车电池管理系统采用了分布式两级管理体系，由一个电池串管理单元（BCU）和多个电池检测单元（BMU）、显示屏（LCD）、绝缘检测模块（LDM）、强电控制系统（HCS）、电流传感器（CS）以及线束组成。
产品结构图
2BMS功能简介
系统中BCU模块通过CAN总线与多个BMU模块及LDM（绝缘检测模块）实时通信，获取单体电压、箱体温度、绝缘阻值等系统参数，通过电流传感器采集充放电电流，动态计算SOC。
BCU计算分析得出电池组综合信息后，仲裁进行系统管理，通过独立的CAN总线分别与VCU、充电机等智能交互，并可通过继电器控制实现对充放电的二级保护，满足客户多样化的安全控制需求，保障系统稳定高效地运行。
SOC计算采用VminEKF算法，对电池组SOC进行动态估计电流检测通过霍尔电流传感器，实现对充放电回路电流的实时检测。
通信功能外带3路CAN接口，可实现与BMU、整车控制器、充电机等进行通信，交互电压、温度、故障代码、控制指令等信息。
3功能指标
主控单元BCU
工作电压外部供电
DC9V-18V
±ISO_12V电源输出
电池包总电压采集范围
0-485V
电池包总电压采集精度
≤±0.5%
电流采集范围
±500A
电流采集精度
≤±1%
环境温度检测范围
-40～125℃
温度采集精度
±2℃
SOC估计误差
≤8%
工作电流
≤2A
休眠电流
≤1mA
板上Flash
充电接触器控制干节点
控制器预充电接触器控制干节点
放电接触器控制干节点
功率减半干节点
外网隔离CAN通讯接口
内网隔离CAN通讯接口
RS232串口
板上调试接口
对外调试接口
对外TTL串口
从控单元BMU
工作电压自供电
DC9V-55V
电压采集通道数
12/13
电池模块电压采集范围
0-5V
电池模块电压采集精度
≤±5mV
温度采集通道数
2
温度采集范围
-40～125℃
温度采集精度
±2℃
均衡电流
300mA
工作电流
≤20mA
休眠电流
≤500uA
CAN总线或CAN隔离供电控制休眠唤醒
子板地址编码
4位
板上EEPROM
隔离CAN通讯接口
板上调试接口
对外调试接口
对外TTL串口
绝缘监测
单元LDM
±ISO_12V电源输入
休眠电流
≤500uA
工作电流
≤1A
绝缘电阻检测范围
0-500K欧姆
接触器控制接口
内网隔离CAN通讯接口
高压控制单元HCM
电池功率输入接口
电池功率输出接口
母线负极接触器及控制接口
预充电电源输出
充电正极接触器及控制接口
外部12V电源输入
充电功率输出接口
暖风功率输出接口
液压功率输出接口
DCDC功率输出接口
空调功率输出接口
MSD带保险手动维护开关，保险丝容量250A
4整体方案
框图
交、直流充电桩匹配设计依照标准《电动汽车传导充电用连接装置》第2及关于交流充电装置连接界面与控制引导原理
以及第3及关于直流充电装置连接界面与控制引导原理
硬件设计有CC信号、CP信号及CC1信号的接入。
软件依据标准《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》设计各阶段流程及通讯协议。
接口汇总
接口名
功能
描述
J1
12V常电
12V常电
12V常电
FAN
FAN
FAN
屏蔽层
V5.0_ISO_1
CAN_H_1
CAN_L_1
GND_ISO_1
J2
高压输出+
高压输出-
车身地
车身地
高压电池总+
高压电池总-
J3
备用1/常开端
备用1/公共端
备用2/常开端
备用2/公共端
快充/常开端
快充/公共端
慢充/常开端
慢充/公共端
DC/DC/常开端
DC/DC/公共端
预充/常开端
预充/公共端
主正/常开端
主正/公共端
主负/常开端
主负/公共端
待测开关1
待测开关2
待测开关3
V5.0_ISO_2（来自车载充电机）
GND_ISO_2（来自车载充电机）
CAN_H_2
CAN_L_2
屏蔽层
CAN_H_2
CAN_L_2
屏蔽层
CAN_H_2
CAN_L_2
屏蔽层
匹配电阻线
J4
LCD_RS485+
LCD_RS485-
12.0V
车身地
屏蔽层
屏蔽层
车身地
V5.0
DTU_RS485+
DTU_RS485-
车身地
降功率输出
-12.0V
Hall_Charge_Out
12.0V
12.0V
Hall_Discharge_Out
-12.0V
NTC1+
车身地
CP
CC输出
CC2输出
车身地
车身地
主正触点监测输出
主正触点监测输出
J5
12V常电
12V常电
车身地
车身地
车身地
车身地
钥匙唤醒信号/ACC
充电枪唤醒信号/CRG
产品外观：
采集单元BMU14
主控单元BCU16
5数据采集与管理
电压和温度采集由子板完成,考虑采样实时性、同步、精度等要求，采用专用模拟前端芯片，14路电压通道最高采样精度误差5mV,并且要求有较低的精度漂移；同时要求所有通道采样在1mS内完成；采用16位精度ADC，模拟及数字滤波方式结合；具备精度校准功能以及测量线路开路或短路报警。
由于电动车工作电流较大，采用汽车级双量程霍尔电流传感器，确保充电、放电全范围精度在1%以内，同时又有良好的响应速率；电压电流同步采样；电流采样范围±500A。
每支子板具备3个温度采样点，测量范围-40℃~120℃，误差2℃。
探头采用双重绝缘确保耐压要求。
采样点可以布置于电芯核心位置或大电流连接节点。
总线通信功能，通过CAN总线将电池组内各单体的电压、箱体温度以及其它信息传送到BCU。
6电源设计
整套BMS系统分为多个电源，主控单元采用车载12V电源供电，经过隔离变换器形成，该电源具备由车辆启动开关控制启动和停止的功能，当开关置于ON档时电源启动，主板启动工作，开关置于OFF时，主板停止工作；
子板采用自供电的设计，由其所监控的电池组模块经电压变换得到，并具有由主控单元控制的启动信号，主控单元停止工作前会发出信号停止子板的电源工作，减小功耗；
绝缘监测单元具有独立并隔离的电源，其开启同样由车辆开关控制，保证绝缘监测电路和车辆低压系统及电池高压系统都完全隔离。
CAN总线通讯设计为独立隔离的电源供电，增加通讯可靠性和安全性。
7安全性
根据标准《电动汽车安全要求》关于车载储能装置及人员触电防护的要求，BMS应具备检测电池输出触点到其外壳或车体的绝缘阻抗的功能，要求当该阻抗小于规定值时应予以报警。
绝缘监测模块电路设计采用AD变换器经隔离的数字通讯传递采样值，硬件上实现完全独立和隔离，同时将采样结果纳入故障诊断和控制策略，实时输出绝缘强度数值并随时报警。
BMS结构上也考虑了安全性的要求，所有高压或电池电压采样区域与低压电源或外壳都留有足够的安全距离，设计时按照《电动汽车用电池管理系统技术条件》中的关于绝缘耐压和绝缘电阻相关规定。
材料和工艺均采用阻燃等级为UL94-V0级设计。
8热管理
BMU可根据电池箱温度状态，对电池进行主动式冷热管理，保证电池使用容量，延长电池寿命。
热管理的设计分运行状态自行应和辅助装置控制两部分。
运行状态自行应是指实时检测温度信息，根据预设好的电池温度-性能对应曲线，在极端温度下调整电池工作状态，即调整充放电电流、保护电压等运行参数，使电池组运行在可靠温度条件下，避免问题过早发生或电池寿命降低。
目前采用的算法有例如充电电流低温下随温度降低而减小；放电功率随温度分级控制等。
另一方面主控单元设有专用制冷或加热器控制节点，当温度达到设定点启动加热或散热装置，或停止电池工作，
9均衡管理
在电池容量较小、成本控制严格的场合，每个子单元可以搭配被动均衡控制板，该套均衡方式可以允许每一通道300mA的均衡电流，配合的控制策略是当系统在充电过程中检测到不平衡程度大于一定数值启动均衡、充电不结束或系统开关不关闭的条件下均衡一直启动、最大限度延长均衡时间。
放电均衡将产生大量热，过程中具备温度保护。
电池容量较大或需要快速均衡的场合，可搭配主动均衡模块，最大均衡电流5A，均衡开启不受限于运行状态。
可以按照协定的均衡管理控制策略对电芯进行均衡管理功能，提高单节电芯的一致性，提高整组电池的使用性能。
充电时当电池箱体内某节单体电池的电压达到3.8V，且电池压差在20mv到500mv之间时均衡将自动开启，每个电池检测单元最多可以同时开启3路均衡。
10电磁兼容性
《ISO11452》、《ISO7637》、《ISO10605》等标准规定了汽车用电子产品的电磁兼容性要求，在传导、辐射、经典、脉冲等方面有针对性进行了设计。
在电源输入输出滤波、瞬态抑制、结构屏蔽等环节加入了专项的措施。
11环境适应性
为适应汽车运行较为严酷的使用环境，器件选择上采用汽车级芯片、外壳的防护、连接器的使用上考虑密闭性和耐腐蚀性；结构强度适应振动、冲击等要求；在PCB工艺和材料选择上也考虑了三防要求。
12故障诊断及控制策略
BMS的控制通过软件和硬件两方面，并且根据事件的严重程度分级执行。
主控单元上的I/O口可设置为干接点输出口或输入口。
干接点输出用于驱动主功率回路接触器，预充电、充电回路接触器，温控装置开关，实现电池组运行中的启动停滞、保护状态等；输入端口用于接收充电桩CC、CP、CC1等信号，完成与充电桩或车辆VCU电源的信息传递。
上述接点或功能都可以通过程序配置。
软件上通过CAN总线与车辆VCU和车载充电机进行通讯，上传运行参数、保护状态，接受工作指令等。
该方面可见文档《BMS_VCU_CAN通讯协议》和《BMS_CHARGER_CAN通讯协议》。
系统开机经过自检过程、检测BMS自身和电池系统工作正常、根据外部信号判断进入充电或放电运行模式，接受指令启动运行。
得到关机指令后，主控板、子板休眠。
报警与保护：
当出现过充、过放等故障时，BCU可根据故障状态实行相应的报警与保护。
电池组的报警项与对应报警限如下：
（1）单体过压：
大于4.2V一级报警；大于4.25V二级报警；
（2）单体欠压：
小于2.95V一级报警；小于2.85V二级报警；
（3）总电压过压：
大于4.2V×电池串联数目一级报警；
大于4.25V×电池串联数目二级报警；
（4）总电压欠压：
小于2.95V×电池串联数目一级报警；
小于2.85V×电池串联数目二级报警；
（5）充电过流：
充电电流一级报警；充电电流二级报警；
（6）放电过流：
放电电流一级报警；放电电流二级报警；
（7）过温：
大于63摄氏度一级报警：
大于68摄氏度二级报警；
（8）低温：
小于-15摄氏度一级报警：
小于-20摄氏度二级报警；
（9）SOC过高：
大于100％一级报警；大于120％二级报警；
（10）SOC过低：
小于15％一级报警；小于5％二级报警；
13数据记录和应用软件
支持8G的数据存储容量，可记录动力电池组长期运行的全部性能参数和电池模块的调度及故障事件。
应用软件的设计考虑一下几个层次的应用。
实时信息；分为运行状态显示和实时参数显示。
设有专门的显示屏或上位机界面：
统计信息；以显示方式或统计报表方式。
记录历史最低单体位置/电压/时间；历史最高单体位置/电压/时间；历史最高温度位置/温度/时间；历史最低温度位置/温度/时间；累计充电时间；累计充电次数；累计放电时间；各类保护发生时电池数据；BMS序列号.
参数配置；读出各保护设置值以及修改各保护设置值。
系统升级；能通过上位机软件对BMS底层程序进行升级。
14充电管理程序设计
当发生下列条件一级故障时，切断充电回路。
当发生二级故障时,BMS关机。
（1）单体电压过高故障
（2）总电压过高故障
（3）充电电流过大故障
（4）温度过高故障
（5）温度过低故障
（6）内部CAN通讯故障
（7）绝缘故障
（8）SOC过高故障
15放电管理程序设计
当发生下列条件一级故障时，切断放电回路。
当发生二级故障时,BMS关机。
（1）单体电压过低故障
（2）总电压过低故障
（3）放电电流过大故障
（4）温度过高故障
（5）温度过低故障
（6）内部CAN通讯故障
（7）绝缘故障
（8）SOC过低故障
16采集板程序流程图
每个采集板采集14节锂离子电池单体的电压，每个电池单体
的工作电压范围是2.7V～4.3V，经过硬件电路变换后送入MCU
的AD转换模块。
每个子板采集3路温度。
17SOC计算流程图
SOC计算采用的VminEKF算法，流程图如下：
18故障判断及处理框图
故障判断与处理程序框图如下：
19系统其它辅助功能
1、系统自检：
系统上电后，对自身和BMU工作状况进行检测，保证系统工作正常
2、远程管理：
BCU自带无线通信接口，可通过外部DTU模块实现遥功能
3、系统扩展：
BCU支持多路有源/无源节点输出，可通过CAN通信和继电器实现两级控制管理，确保强弱电有效隔离。
1
1.1
升级会员 