GD32F103C8T6的电池管理系统

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近年来随着我国许多科研机构以及高校对电池管理系统资金投入与时间的不断加大，电池管理系统在中国正在经历其前所未有的黄金时期[[15]。当前，国内对BMS的研究己经不仅仅只是停留在实验室的研究阶段，许多纯理论的实验结果己经被具体应用到了实际使用阶段。以前中国对BMS的研究是一条小路，几乎无人问津的一条乡间小路，随着越来越多的科研机构，越来越多的政府部门对其抛出橄榄枝，当前中国对BMS的研究俨然己成为了一条康庄大道，一条不可逆的高速通道。在这样的时代背景下，中国涌现出了许多经典的电池管理系统。例如北京理工大学的EQ7200HEV镍氢电池管理系统己经实现了在东风牌轿车上的实际运用【i6}。苏州星恒公司的理电池管理系统在国内电池管理系统中也应用的比较广泛[fl}l。惠州亿能电子与北京交通大学合作研发的YN.BMS.EV-O1型BMS在2008年北京奥运会和上海世博会上己经完美体现了其由理论到产品的完美转换。北京交通大学设计的电池管理系统如图1.5所示，主要可以实现对蓄电池数据的采集及显示等.

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电池的核心在于电池管理系统[[3]。没有电池管理系统的电池组就像一个“炸*”一样，只有对电池组采取合理的监管措施才能将这个“炸*”完全消除[[4]。电池管理系统对电池组的重要作用就类似于人的大脑，大脑的重要性对人而言不言而喻，一切的神经中枢与肢体分配都要通过大脑进行执行。电池管理系统作为实时在线检测、自动均衡的电子部件，能对电池组起到延长寿命、保障安全的功效[[5]。对于现阶段电池管理系统来说除了能够完成数据的测量和预警功能之外，还将通过数据总线直接参与到车辆状态的控制当中。随着当今人们对电池管理系统研究的不断深入，在电池管理系统设计时并不能只考虑其所担负的具体功能，还要考虑电池组所处复杂环境对其的重要影响[[6]。以下是本文根据电池组的数据类型、精度要求以及硬件系统设计的电池管理系统，其基本功能如下所示:

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1、系统数据本课题所设计双层均衡方案的采样速率、均衡效率等都是衡量均衡
系统工作好坏的关键。
2、热管理由于电池组是密封在车厢内，如果电池温度过高则有可能导致整个电
池管理系统装置损坏，严重的话还有可能导致整个均衡系统无法正常工作，因此对电池
管理系统采取热管理则显得非常有必要。
3、安全管理当前，由于汽车安全事故频发，因此对电池组进行整组监控的同时
检测电池的电压、电流、温度是否超过允许的范围，通过安全管理将电池组的各项参数
都控制在正常的范围以内则显得格外重要。只有将电池组的各项状态参数都控制在允许
范围内，才有可能最大限度降低安全事故。
4、均衡控制对电池组采取均衡控制是极其重要的，这不仅关系到整个电池组的
工作寿命，而且还将对整个电池组的使用产生非常重要的影响。因此对电池组采取均衡
措施，可以大大提高电池组的整体工作性能。
5、外接显示电池组的电压、电流、温度等许多重要信息都可以通过上位机或车
载LCD实时进行显示，这样人们才能更加直观的了解整个电池组的运行状态以便及时
进行相应的处理。

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埋电池组由于是密封在相对封闭装置内，因此对周围环境以及工作状态电压要求都比较严格。如果不对埋电池组施加以均衡管理，当单体埋电池充放电电压超过其正常允许范围时，对埋电池组产生的危害是非常严重的[[30]0埋电池的放电特性会受到许多因素的影响，但是对其影响最大的无疑是埋电池所处周围环境对其的巨大影响。由图2.2可知，埋电池在放电中段时放电曲线变化不大，但是在放电开始和结束的时候则波动比较明显。因此，对埋电池的均衡管理以及保护工作主要针对于充放电的起始和结束阶段，这两部分是电池管理系统的重中之重。

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埋电池充放电特性和倍率特性之间的联系是极为紧密的，不同放电倍率对埋电池放电能力强弱的影响也是不完全相同的[[31]。这就相当于是同样一桶水采用大小不同的水龙头对其进行放水，不同的水龙头对于相同一桶水放完所需时间是不一样的。由于埋电池组中每个单体埋电池之间所具有的能量是不完全相同的，因此研究不同放电倍率对埋电池的影响则显得很有意义与必要。通过研究分析埋电池的放电倍率特性可以使得人们对埋电池的性能有更深入的了解，这样在开发埋电池的放电功能时也能更加有所倚重。图2.3为在I.SWI.OWD.SC不同放电倍率下所获得曲线。

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在不同温度环境下，埋电池的充放电特性曲线之间亦存在较大差异，这是因为温度的变化会影响化学反应速度，影响埋电池内部化学物质的导电性。埋电池在使用过程中很容易受到温度的影响，而且温度对埋电池的影响还是非常严重的。因此如果对埋电池温度承受范围没有一个充分的认识与了解，那么在设计埋电池管理系统时对温度控制管理这一块就很可能出现不必要的错误。通过图2.4可知，埋电池在低温和高温的温度范围内较为耐用。这主要是因为埋电池的放电是化学能转化为热能和机械能的过程，如果电池内部发生短路则会产生局部高温致使埋电池损害而报废，更严重的话还会引起埋电池的爆炸从而发生严重的安全事故。因此完全有必要对埋电池组采取保护控制措施以防其因过温而产生损害

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由于电池组是密封在车厢内，因此汽车周围环境对其影响是非常大的，而尤以温度对电池组不一致性影响最为严重[[35]。由于电池组是密封在一个相对封闭的装置之中，因此其内的热传递以及散热等条件均不能做到对每个单体电池完全一致，而且由于电池组在使用过程中每个单体电池所处环境以及化学反应速率的不同，势必吸收的能量和产生的热量也是不完全相同的。又由于是密闭在一个空间里，这种能量的不均衡反过来又会影响整个电池组的工作性能，长此以往，整个电池组的工作性能势必会受到影响，更为严重可能会损坏整个电池管理系统。

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图3.2为一种典型的分布式电池均衡方案，该方案在每个单体电池上都并联了一个旁路电阻，并且通过控制电子开关的开关断对所并联的单体电池起到均衡的作用[[39]。该方案通过将多余的能量让电阻来进行消耗的方式使得电池组之间能量达到一致。其实现原理为:当电池检测装置检测到某一节电池电压过高时，检测装置将结果传送给BCU}BCU通过输出控制信号控制该点电池所并联的开关闭合从而将该节电池多余的能量消耗在与开关并联的电阻上，从而实现电池组之间能量的均衡。该方案之所以现在没有大规模应用在电池管理系统中的主要原因在于电阻。电阻本身就是一个耗能组件，当前人们对能量的需求越来越大。当电阻消耗大量的能量时不仅会减少整个电池组的能量，而且还会引起整个电池组温度的升高，这样给电池管理系统的热管理也带来一定的难度。

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当前许多大型汽车生产商、零部件厂商以及科研机构对于电池组均衡技术的研究大都是基于电感而展开的，这不仅是因为电感均衡方案具有均衡速度较快、成本适中等优点。当电池组所需组合单体电池数量较多时其结构也易于维护和扩展，这一优点与当前人们所需能量要求越来越大也是相契合的。当前，对于电感式均衡方法的研究己经成为不可阻挡的趋势电感总线方案如图3.3所示，将每个单体电池与变压器输出端并联，而整个电池组两端再与变压器输入端并联，通过变压器传递能量的方式达到均衡整个电池组的目的，这样做不仅可以减少系统的布线，而且也满足简单、高效的要求.

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由于当前许多大型汽车制造商以及零部件生产商都对电池管理系统研究投入了大量的物力与财力，电池组间均衡技术也因此得到了很大的提升。但是当人们在面对电池管理系统设计时，要在如此众多的均衡技术里面选择合适的均衡方案则成为了一个不小的难题。如果在设计电池管理系统时方案选择不恰当或者不合理，不仅会造成材料的无端浪费，更有甚者会造成电池管理系统的无故损害。因此选择合适的埋电池均衡控制管理系统，对于提高电池组安全性，延长电池组使用寿命，提高电池组衰老一致性，有着无比重要的意义。上述内容描述了在现阶段使用仍然比较广泛的均衡方案，主要有集中式均衡方案(大多使用电容进行能量的均衡)、分布式均衡(采用旁路电阻消耗多余的电量)以及使用电感均衡方案进行均衡[[44]。虽然当前这些均衡方案有一定的市场价值，但是，毫无疑问这些均衡方案都有一定的不足之处:有的均衡方案均衡元器件能量较低，不能很好满足人们所需能量供应，且均衡效率较低。有的均衡方案由于均衡元器件选择不恰当，导致能量损耗以及过热等问题。有的均衡方案开关易有电弧或者干扰，且耗时较长。有的均衡方案结构复杂、体积大。当分流时产生的热量也较大，而且在通用性以及均衡电路拓展方面的不足也比较明显。

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由于传统电池组大都采用单一的均衡方案，这种单一的均衡方案在均衡时间、均衡效率方面都难以达到当前人们的要求。为改善电池组单体电池间电压不匹配而导致的放电能力减弱和使用寿命缩短的固有缺陷，本课题设计了一种基于功率电感的双层无损控制电路的均衡方案。如图3.5所示，单元内均衡通过电感进行能量的传递，从而实现单元内单体电池间的初步均衡，假若系统检测到需要开启单元内均衡时，则通过控制电子开关的开关断时间来实现单元内单体电池电压的初步均衡。电池单元间通过飞渡电容进行能量的储存和传递，并通过控制电子开关的开关断来调整通过电容的能量，从而达到整个电池组单元间的再次均衡。同时双层均衡系统间通过CAN总线实时进行数据传输，上下层均衡器协调动作，互不干扰，实现电池组任意两单体电池间能量直接或跨越性传递。该双层均衡系统比传统单一均衡系统更能将每一节单体电池的能量发挥到最大，真正做到物尽其用，而且避免了电池能量只能在相邻电池之间进行传递，精准的做到了能量点对点直接的传递，从而大大减小了整个均衡系统的体积，提高了均衡工作效率。