GD32F103C8T6的电池管理系统

只看该作者 · 2019-7-31 15:57

1飞渡电容工作原理分析由于传统飞渡电容是采取电子开关与电容直接相连的方式进行均衡，本课题在飞渡电容中电池单元间两端并联的双向开关用理想开关S和电阻Ro。串联代替，则单元间飞渡电容主电路如图3.9所示。

只看该作者 · 2019-7-31 15:58

假设电池组Mi单元和M4单元出现电压失衡且UM1}UM4为例来说明电路电压均衡工作原理。}1}电容C充电阶段:开关Slv:导通与电池单元Mi和电容C一起构成充电回路，假设电容C的初始电压为Uci，电池单元Mi端电压为UMi。其工作原理图如图3.10所示。

只看该作者 · 2019-7-31 15:58

(2)电容C放电阶段:当电容端电压Uci充电大致与UMi相等时，则通过输出控制信号使得S},S:断开，而S},S:导通，此时电容C给电池单元M4放电，放电原理如图3.11所示。

只看该作者 · 2019-7-31 15:59

飞渡电容均衡最理想的电压均衡情况是只需要均衡一次就可以实现由能量高的电池单元向能量低的电池单元的全部转化，从而快速实现两者间的电压均衡，因此开关切换频率不宜过高。但是如果切换频率过低的话，电容C的容量则需要很大，由于电池的自恢复特性，供电电压的稳定性也会变差，这将会严重影响负载的正常工作。因此综合考虑电容容量和均衡速度、埋电池组电压稳定性等因素，实验选用内阻为25mS2的埋电池，每个电池单元等效内阻为75mS2，考虑到其他电路寄生电阻以及电容电阻，为确保每个均衡周期内能量都有最大限度的利用，取C=110mFo

只看该作者 · 2019-7-31 15:59

电池管理系统己经成为电池组中不可或缺的核心部件之一。本章根据数据的采集量以及精度的要求设计了一种基于单片机和CPLD的双层均衡控制管理系统。系统结构框图如图4.1所示，主要由供电电路模块、均衡控制电路模块、系统监测模块(包括电压、电流、温度监控)、报警指示模块和数据通信模块构成。

1万 · 2019-7-31 16:00

请问您这个系统是用于电动车的吗？

1万 · 2019-7-31 16:01

还是用于工厂直流屏系统的？这个系统是不是有完成的系统板卡或者成套的设备来运维的？

只看该作者 · 2019-7-31 16:02

主要还是以电动车为主！

只看该作者 · 2019-7-31 16:03

供电电路模块主要为整个均衡系统提供电量支撑，从而保证其能够正常稳定工作;均衡控制电路模块主要采用本课题设计的双层均衡控制方案达到均衡整个电池组的目的，从而提高电池组的整体工作性能;系统检测模块主要负责电压、电流、温度的采集，从而为系统提供原始数据;报警指示模块主要为了对系统起到报警作用，该模块可以在系统出现故障时发出声光报警指示;数据通信模块可以实时传输电池的一些直观数据(例如电压、电流、温度)到上位机进行显示，以方便人们更加直观了解整个能量来源的运行情况，并将采集到的数据进行存储以方便需要时调用。

只看该作者 · 2019-7-31 16:03

只看该作者 · 2019-7-31 16:04

只看该作者 · 2019-7-31 16:10

GD32F103C8T6可工作于一400C}850C，工作电压为2.6V}3.6V，能够满足低功耗的应用要求，该芯片的工作性能和外围配置非常适合作为本课题的主控制芯片。

只看该作者 · 2019-7-31 16:12

能否有持续不断的供电来源是整个系统正常工作的前提条件，因此该供电电路模块在整个电池管理系统中就具有举足轻重的地位。本课题均衡控制系统必须可以提供+SV}+3.3V的电源，由于该均衡系统具有低功耗的特性，所以整个系统主要以3.3v电源为主。报警指示电路以Sv电压供电。由于LDO电源不适合在高压差的情况下工作，否则会造成大量的能量损失，并且该芯片容易发烫，所以本文采用MP2494DN设计的BUCK(降压式变换电路)电路，MP2494DN电路原理图如图4.4所示。4.SV-SSV的电压范围不仅实现了在很宽的输入电压范围内具有优异的负载，而且还可以连续调整线路2A的输出电流。3.3V电源设计:系统供电需要稳定的电压来源，由于LDO特性使得电源干扰很小，所以采用了LM1117将Sv转为3.3v的设计。LM1117输出电流可达800mA，线性调整率为0.2%

只看该作者 · 2019-7-31 16:13

双层均衡控制系统中电压测量的功能必须精确，因为它不仅关系到电池组的正常使用和控制，而且也是对电池组进行准确均衡判断的必要保证。所以在电池组的使用过程中，对电池组内单体电池电压进行精准的测量是当前迫切需要解决的重大难题。由于本均衡系统是采用电压进行均衡，因此对埋电池电压数据采集的准确性以及高效性则显得更加重要。若在均衡系统中电压采集数据不准确将导致均衡系统出现严重的误差，从而造成电池管理系统的紊乱甚至失效。如果能有产品一次性便可以检测12个单体埋电池电压则可以大大减小电池管理系统的体积以及工作量。在本设计中采用凌力尔特公司的LTC6802作为电压检测芯片，该电压检测芯片可同时测量全部电池电压或单独测量电池组中任一节单体电池电压。LTC6802可以对多达12节串联单体电池电压进行直接测量，最大允许测量电压为60V，其内部具有12位分辨率A/D，高精度的电压参考源。该电压检测芯片采用独特的电平移动串行接口，多片LTC6802可直接串联使用，芯片之间无需增加额外的光藕或隔离器件，全部串联电池电压测量时间通常在13ms以内。为减小功率损耗，LTC6802还对单体电池过电压与欠电压状态进行实时监控。LTC6802不仅可以对电池电压进行读取，还具有平衡电池的功能以及一对用于温度读数或其它参数的附加ADC输入。LTC6802的ADC并不像差分电路那样需要依靠电阻网络，而是在每节单体电池上提供一个一致的轻负载以及在空闲时自动采用一种低功率备用状态以降低功率。图4.5中C1,C2,...,C12引脚为电池电压监测的输入端，电池组总负端连V一脚，总正端连V+引脚。SDOI接口为串行数据的I/O口，当多个芯片进行级联时，此管脚将被使能，与下一级联芯片进行数据交换。S1,S2,...,512引脚则用来对电池组进行均衡控制，分别对应12节单体电池的均衡电路。例如需要对电池C1进行均衡，则S1引脚将会被使能，同时与此引脚相连的MOSFET管将被导通，电池C1通过放电电阻进行适量放电。

只看该作者 · 2019-7-31 16:15

电池组温度是影响电池组工作性能的重要参数，电池组温度过高或过低都会对电池组造成不可逆转的破坏。由于埋电池组是密封在一个相对封闭的装置内，而每个单体电池的工作性能是不完全一样的，因此整个电池组中单体电池在工作过程中产生的热量也是不一样的，因此对电池组所处温度进行检测与安全控制则显得十分有意义。本课题选取DS18B20作为本文的温度检测芯片，DS18B20可对多路工业过程温度参数进行巡检、变换输出、报警控制、数据采集以及通讯等。温度测量精度为1/2摄氏度，静态功耗<3uA,每一个DS18B20芯片具有唯一的64位光刻ROM序列号，单一总线上可以挂多个DS18B20温度采集芯片。该芯片温度测量范围为一55001250C，通过单总线结构进行ROM匹配后与MCU通信获得温度数据从而大大减少了外围部件，提高了DS18B20数据采集的可靠性，DS18B20电路如图4.6所示。

只看该作者 · 2019-7-31 16:15

汽车之间通信协议有很多种，然而CAN总线无疑是其中最具潜力，亦是当今世界上应用最广泛的现场总线之一[47]。CAN总线是德国Bosch公司为了解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，由于CAN总线具有极高的可靠性，特别适合当前工业设备监测单元的互连，因此备受工业界的重视[[48]0当前CAN总线不仅被一些国际大型汽车公司所采用而且一些重型货车也逐渐开始采用CAN总线作为其内部通信方式。由于GD32F103C8T6自身带有eCAN控制器，因此系统中无需增加独立控制器，但是GD32F103C8T6没有CAN收发器，因此均衡系统需要设计CAN收发器模块以帮助完成数据的收发工作。在本设计中，选用德州仪器公司生产的SN65HVD230作为外界的CAN收发器。由于SN65HVD230具有较高通讯速率、良好的抗干扰能力和高可靠的通信功能，因此选择SN65HVD230作为本文的数据通信器件是完全可行的。

只看该作者 · 2019-7-31 16:16

RCBSlA-l0A为闭环霍尔电流传感器。该电流传感器测量范围为。-l0A，输出测量电压1.65士0.625v，供电电压为3.3v，工作温度为一25℃一+850C。本课题选择RCB51A-l0A作为电流采集模块的主要原因是因为其精度高、线性度好、响应快、抗干扰性强。

只看该作者 · 2019-7-31 16:17

在电池组使用中，人们强烈提出了对电池组进行均衡的要求。为此，近十几年来，许多电池管理系统(BMS)研发者，采用了各种各样的方法来进行电池的均衡。本课题设计的单元内均衡控制电路如图4.9所示，单元间均衡电路图如图4.10所示。由于在前面章节中己经详细介绍了双层均衡控制电路的工作原理以及实现方式，因此在这里就不予赘述。

只看该作者 · 2019-7-31 16:17

不管任何一件事物用久了都有可能出现损害与故障，电池管理系统亦是如此。当MOSFET超过允许工作温度时很容易缩短其使用寿命，严重的话还有可能导致整个MOSFET管的损坏，从而导致整个BMS无法起到均衡控制作用，因此当BMS出现故障时就需要系统能将故障信息及时告知并显示。这些报警信息主要包括过电压告警、过电流告警、过温度告警以及剩余电量不足告警等，还包括了一些故障失效信息，比如通信网络失效、自检失效等情况。在这个时候不仅需要通过显示的方法来告警，可能还需要结合声音告警以及对其进行过温散热等辅助措施。因此本课题设计了声音告警模块和散热模块，通过蜂鸣器和风扇实现报警处理和散热处理，报警系统电路图如图4.11所示。其基本原理为当单片机MCU的I/O口输出为低电平时，SS8050处于关断状态，蜂鸣器不工作，当I/O口输出为高电平时，SS8050处于饱和导通即开通状态，此时蜂鸣器处于工作状态。在实际应用过程中，当电池的工作状态信息超出其正常范围时，MCU将控制蜂鸣器发出告警音告知用户，用户可以同时在显示屏上查询当前告警的故障原因(例如单体电池电压过低，电池温度过高等)。

只看该作者 · 2019-7-31 16:21

当电池管理系统硬件部分完成以后，就要开始对每个模块软件部分进行设计，假如把硬件系统比喻为显示器，软件系统就好像主机一样，只有显示器与主机的完美结合人们才能通过电脑来发现大千世界的无穷奥秘，也只有软硬件系统的完美结合电池管理系统才能真正发挥其对于电池组的均衡管理工作。当对复杂问题进行程序设计时，需要对复杂问题详细分析，并将复杂问题分解为若干子问题，从而使复杂问题得以简单化解决。复杂问题简单化最有效的方法就是采用模块化的设计方法。在本课题软件设计过程中，便采用了这种模块化设计思想。首先根据电池管理系统性能要求分析软件需要完成的任务和内容，然后再进行软件的总体设计，主要包括软件单元总体流程设计和各个功能模块的子程序设计。本课题软件设计大体流程为当均衡系统检测到埋电池组工作状态参数超过其正常允许值时，GD32F103C8T6单片机就会控制蜂鸣器发出报警信号并对所采集模拟信号进行转换、分析和判断，最终通过控制电路来实现各个模块的正常工作。GD32F103C8T6芯片可以采用C语言或者汇编语言编写的方式，虽然汇编语言执行速度较快，但是其编写过程复杂，而且可移植性也较差，不适用于模块化，并且不利于阅读。因此本均衡系统程序设计不采用汇编语言编程的方法，而是采用C语言进行编程的方式，程序主要用流程框图方式给出，对于重要地方会给出部分程序，做详细介绍。