電池特性測試系統(tǒng)：電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行控制、絕緣監(jiān)測、均衡管理、保護(hù)報(bào)警及通訊功能等，通過對電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定安全運(yùn)行；監(jiān)測電池的一致性，通過均衡對電池進(jìn)行在線式維護(hù)，保證電池成組的使用效率及壽命。
電池特性測試系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)
1 BMS簡介
1.1 BMS定義
BMS(Battery Management System簡稱)電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行控制、絕緣監(jiān)測、均衡管理、保護(hù)報(bào)警及通訊功能等，通過對電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定安全運(yùn)行；監(jiān)測電池的一致性，通過均衡對電池進(jìn)行在線式維護(hù)，保證電池成組的使用效率及壽命。
電池管理系統(tǒng)基礎(chǔ)功能：電流、電壓和溫度采集、計(jì)算和校準(zhǔn)、電芯均衡、熱管理、系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析、充/放電控制、故障診斷、報(bào)警和安全保護(hù)、數(shù)據(jù)通訊等。
1.2 **電池特性測試系統(tǒng)組成
電池特性檢測系統(tǒng)是由電池包(PACK)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、充放設(shè)備、DC12V供電電源、PC上位機(jī)、通信設(shè)備及外圍輔助設(shè)備組成。其中PACK是系統(tǒng)測試研究的對象，BMS是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制中樞一方面控制電池的充放電并時(shí)刻檢測和保護(hù)電池以免發(fā)生過充過放引起火災(zāi)，同時(shí)負(fù)責(zé)記錄充放電過程產(chǎn)的數(shù)據(jù)以便于學(xué)生分析電池特性。充放電設(shè)備是負(fù)責(zé)給電池充電或者放電，DC12V供電電源是負(fù)責(zé)給BMS系統(tǒng)供電；PC上位機(jī)是人機(jī)交互界面同時(shí)也是電池特性分析展示的窗口。
2系統(tǒng)框圖及硬件設(shè)計(jì)說明
圖一：系統(tǒng)框圖
2.1 關(guān)鍵模塊功能描述
2.1.1 充放電設(shè)備：
此系統(tǒng)采用KS80V50A-1CH充放電一體柜，詳細(xì)參數(shù)見下表一：
序號 | 規(guī)格型號 | KS80V10A-1CH |
1 | 輸出通道數(shù) | 1CH |
2 | 通訊方式 | 485(網(wǎng)口) |
3 | 充電電壓 | DC 5～80V |
4 | 放電電壓 | DC 80～5V |
5 | 充電電流 | DC 0.5～60A |
6 | 放電電流 | DC 0.5～50A |
7 | 電壓精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
8 | 電流精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
9 | 電壓分辨率 | 1mV |
10 | 電壓穩(wěn)定度 | ≤0.1% |
11 | 電流分辨率 | 1mA |
12 | 電流穩(wěn)定度 | ≤0.1% |
13 | 功率輸出范圍 | 0.5～Pmax = Vmax * Imax |
14 | 輸入阻抗 | ≧500 KΩ |
15 | 輸入電源 | AC 380V/220V±10%/ 50Hz |
16 | 功率精度 | ±（0.05%RD+0.05%FS） |
17 | 電流響應(yīng)時(shí)間 | 電流輸出在60A 時(shí)硬件響應(yīng)時(shí)間：≤50ms |
18 | 時(shí)間設(shè)定范圍 | 0～9999 分鐘內(nèi)任意設(shè)置，時(shí)間單位分別為 h、min、s 任選，分辨率 1s |
19 | 時(shí)間分辨率 | 1s |
20 | 記錄方式 | 充電記錄時(shí)間、放電記錄時(shí)間、靜止記錄時(shí)間、全局記錄時(shí)間 |
21 | 記錄頻率 | 100mS～65535S |
22 | 充電模式 | 恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓（CC/CV）、恒功率充電 |
23 | 充電截止條件 | 電壓，電流，時(shí)間，容量 |
24 | 放電模式 | 恒流放電、恒壓放電、恒功率放電 |
25 | 放電截止條件 | 電壓，電流，時(shí)間，容量 |
26 | 保護(hù)功能 | 數(shù)據(jù)異?；謴?fù)； 電池反接保護(hù)功能； 軟件過壓、欠壓、過流、欠流、過容量保護(hù)，電壓電流保護(hù)值范圍可設(shè)定，保護(hù)后可提示和記錄； |
27 | 單循環(huán)工步數(shù) | ≤100 步，具有嵌套循環(huán)功能 |
28 | 連續(xù)工作時(shí)間 | 設(shè)備的功率應(yīng)滿足所有通道能夠滿負(fù)荷、365*24 小時(shí)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn) |
29 | 設(shè)備噪音 | 小于 72dB |
30 | 電路結(jié)構(gòu) | 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于替換和維修 |
32 | 重量 | 約30kg |
33 | 軟件 | 1、軟件支持各種續(xù)接，如手動(dòng)暫停續(xù)接、軟件關(guān)閉續(xù)接、斷電中斷續(xù)接、設(shè)備通信中斷續(xù)接、異常停止續(xù)接； 2、支持條碼掃描，可對一維碼、二維碼進(jìn)行掃描，有順序掃碼、通道跳躍掃碼、裝盤掃碼等掃碼方式； 3、本地測試詳細(xì)數(shù)據(jù)存儲，可隨時(shí)查看各通道當(dāng)前測試數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)與曲線對應(yīng)兩種方式對應(yīng)呈現(xiàn)，并且支持以單個(gè)或批量形式導(dǎo)出 EXCE 報(bào)表，另外可根據(jù)需要設(shè)置測試結(jié)束自動(dòng)導(dǎo)數(shù)據(jù)。 4、支持容量分選，可對電池進(jìn)行等級分選； 5、支持測試結(jié)束合格判斷，根據(jù)循環(huán)容量、電壓、時(shí)間等信息進(jìn)行判斷 Pass/NG 結(jié)果； 6、支持各種工步保護(hù)及全局電壓、電流、溫度異常保護(hù),并進(jìn)行異常報(bào)警； 7、支持單位轉(zhuǎn)換； 8、支持?jǐn)?shù)據(jù)庫服務(wù)器后臺存儲或 MES 對接； 9、軟件脫機(jī)保護(hù)； 10、軟件提供免費(fèi)升級。 |
34 | 工作/存儲溫度 | 0℃～40℃/-10℃～50℃ |
35 | 工作/存儲環(huán)境相對濕度 | ≤70% RH /≤80% RH（沒有水汽凝結(jié)） |
36 | 設(shè)備維護(hù) | 非專業(yè)人士請勿拆開機(jī)箱。定期對設(shè)備接頭進(jìn)行檢查，防止接觸不良。 |
37 | 運(yùn)輸 | 包裝適用與汽車、船、飛機(jī)、火車等運(yùn)輸，運(yùn)輸過程中應(yīng)防雨，文明裝卸。 |
表一
2.1.2 BMS系統(tǒng)介紹：
BMS采用主從一體式架構(gòu),預(yù)留13路DI輸入口，預(yù)留7路DO輸出口，預(yù)留2路CAN，預(yù)留1路485通信MCU采用GD32F427VET6芯片，主頻可以達(dá)到144Mhz、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、12ADC等功能豐富強(qiáng)大;兩路CAN通信分別和上位機(jī)、充放電設(shè)備通信；一路RS485通信可連接其他輔助設(shè)備；系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PACK端BAT端的電壓檢測，總線電流檢測，PACK端的絕緣電阻檢測，PACK端的反接電壓檢測。關(guān)鍵電氣器件的溫度檢測。通過這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)SOC的計(jì)算，各關(guān)鍵電氣器件使用狀況進(jìn)行是否正常的判斷。以下是系統(tǒng)參數(shù)表。
圖二：BMS系統(tǒng)控制框圖
BMS基本參數(shù)表
參數(shù) Parameter | 描述 Description | 技術(shù)指標(biāo) Rating | 備注 Remarks |
Min. | Type. | Max. | Unit |
工作電壓 | 工作電壓范圍 | 9 | 12/24 | 48 | V |
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工作電流 | 24V 下工作電流 |
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| 100 | mA |
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工作溫度 | 系統(tǒng)工作溫度范圍 | -40 | 25 | 85 | ℃ |
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工作濕度 | 系統(tǒng)工作濕度范圍 | 5% |
| 95% | RH |
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CAN通信 | CAN1 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔離 |
CAN2 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔離 |
RS485 通信 | RS48 速率 | 9600 | 19200 | 115200 | bps | 隔離 |
總電壓采集 | 采集誤差值≤±0.5%F.S | 0 |
| 1000 | V |
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分流器電流 采集 | 采集誤差值≤0.5%F.S，不含分流器自身誤差 | -500 |
| 500 | A | 全量程 |
誤差值≤±0.5A，不含分流器自身誤差 | -50 |
| 50 | A | 小量程 |
粘連檢測 | 2 路總繼電器粘連檢測 |
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溫度采集 | 10 路，-20~65℃范圍，誤差≤±1℃， 其它范圍誤差≤±2℃ | 40 |
| 125 | ℃ |
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絕緣電阻采集 | 采集誤差≤±20%F.S | 0.005 |
| 20 | MΩ |
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| 誤差≤±10KΩ | 5 |
| 50 | kΩ |
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驅(qū)動(dòng)控制 | 1路高邊，6路低邊，持續(xù)載流能力≥3A 2A/24V，瞬態(tài)載流能力≥5A@100ms |
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| 典型值 12/24V |
DO 輸出 | 6路最大輸出電流50mA |
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DI 檢測 | 13路DIH高電平閾值 | 6 |
| 32 | V |
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干接點(diǎn)控制 | 2路機(jī)械繼電器，不可以帶載切斷，持續(xù)載流能力 | - | - | 2 | A | 30VDC/ 250VAC |
SOX 估算 | SOC 估算 |
|
| ±5 | % |
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SOH 估算 |
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| ±8 | % |
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SOE 估算 |
|
| ±8 | % |
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DCR 估算 |
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| ±10 | % |
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數(shù)據(jù)存儲 | 事件記錄條數(shù) |
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| 12000 | 條 |
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| 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲 |
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| 1 | Year |
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絕緣性能 | 1000V/DC 下 | 10 |
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| MΩ |
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耐壓性能 | ≥2U+1000V/DC |
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| 3000 | V |
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60s 漏電流 | - | - | 1 | mA |
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3 電池管理系統(tǒng)（BMS）特性
3.1 保護(hù)功能、閾值
報(bào)警等級說明
報(bào)警等級 | Action/相應(yīng)動(dòng)作 |
Level 1 failure/一級故障 | 播報(bào)報(bào)警代碼 |
Level 2 failure/二級故障 | 播報(bào)報(bào)警代碼 |
Level 3 failure/三級故障 | 播報(bào)報(bào)警代碼,超時(shí)10s后下電 |
3.2 電壓保護(hù)（以三元鋰電為例）
Item Definition/報(bào)警類別定義 | Trigger Threshold (V)/觸發(fā)閾值 | Trigger Delay (s)/觸發(fā)延時(shí) | Release Threshold (V)/釋放閾值 | Release Delay (s)/釋放延時(shí) | Condition/充、放電狀態(tài) |
CellHVoltAlarm1
單體電壓過高故障1級 | 4.16 | 3 | 4.14 | 5 | During charge/充電 |
CellHVoltAlarm2
單體電壓過高故障2級 | 4.17 | 3 | 4.16 | 5 |
CellHVoltAlarm3
單體電壓過高故障3級 | 4.18 | 3 | / | / |
TotalHVoltAlarm1
總壓過高故障1級 | 79.04（4.16） | 3 | 78.66（4.14） | 5 |
TotalHVoltAlarm2
總壓過高故障2級 | 79.23（4.17） | 3 | 79.04（4.16） | 5 |
TotalHVoltAlarm3
總壓過高故障3級 | 79.42（4.18） | 3 | / | 5 |
CellLVoltAlarm1
單體電壓過低故障1級 | 2.95 | 3 | 3.30 | 5 | During discharge/放電 |
CellLVoltAlarm2
單體電壓過低故障2級 | 2.9 | 3 | 3.20 | 5 |
CellLVoltAlarm3
單體電壓過低故障3級 | 2.85 | 3 | / | / |
TotalLVoltAlarm1
總壓過低故障1級 | 56.05（2.95） | 3 | 62.7（3.30） | 5 |
TotalLVoltAlarm2
總壓過低故障2級 | 55.1（2.85） | 3 | 60.8（3.20） | 5 |
TotalLVoltAlarm3
總壓過低故障3級 | 54.15（2.70） | 3 | / | / |
3.3 壓差警告（以三元鋰電為例）
Item Definition /報(bào)警類別定義 | Trigger Threshold (mV) /觸發(fā)閾值 | Trigger Delay (s) /觸發(fā)延時(shí) | Release Threshold (mV) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時(shí) | Condition/充、放電狀態(tài) |
HDiffVoltAlarm1
壓差過大故障1級 | 300 | 3 | 200 | 5 | Charge &Discharge 充放電 |
HDiffVoltAlarm2
壓差過大故障2級 | 400 | 3 | 300 | 5 |
HDiffVoltAlarm3
壓差過大故障3級 | 500 | 3 | / | / |
3.4 過流保護(hù)
Item Definition /報(bào)警類別定義 | Trigger Threshold (A) /觸發(fā)閾值 | Trigger Delay (s) /觸發(fā)延時(shí) | Release Threshold (A) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時(shí) | Condition/充、放電狀態(tài) |
ChgHCurrentAlarm1
充電電流過大故障1級 | 15 | 5 | 10 | 5 | During charge 充電時(shí) |
ChgHCurrentAlarm2
充電電流過大故障2級 | 17 | 5 | 15 | 5 |
ChgHCurrentAlarm3
充電電流過大故障3級 | 20 | 5 | / | / |
DischgHCurrentAlarm1
放電電流過大故障1級 | 15 | 5 | 10 | 5 | During discharge 放電時(shí) |
DischgHCurrentAlarm2
放電電流過大故障2級 | 17 | 5 | 15 | 5 |
DischgHCurrentAlarm3
放電電流過大故障3級 | 20 | 5 | / | / |
3.5 短路保護(hù)
Overcurrent protection valve：100A≤500uS
過流保護(hù)值：100A≤500uS
3.6 溫度保護(hù)（詳細(xì)參數(shù)根據(jù)不同電池有所調(diào)整）
Item Definition /報(bào)警類別定義 | Trigger Threshold (°C) /觸發(fā)閾值 | Trigger Delay(s) /觸發(fā)延時(shí) | Release Threshold (°C) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時(shí) | Condition/充、放電狀態(tài) |
PackHTempAlarm1
PACK充電溫度過高故障1級 | 52 | 3 | 45 | 10 | During charge 充電狀態(tài) |
PackHTempAlarm2
PACK充電溫度過高故障2級 | 53 | 3 | 50 | 10 |
PackHTempAlarm3
PACK充電溫度過高故障3級 | 55 | 3 | / | / |
PackLTempAlarm1
PACK充電溫度過低故障1級 | 5 | 3 | 8 | 5 |
PackLTempAlarm2
PACK充電溫度過低故障2級 | 3 | 3 | 5 | 5 |
PackLTempAlarm3
PACK充電溫度過低故障3級 | 0 | 3 | 2 | 5 |
PackLTempAlarm1
PACK放電溫度過低故障1級 | -17 | 3 | -14 | 5 | During discharge 放電狀態(tài) |
PackLTempAlarm2
PACK放電溫度過低故障2級 | -18 | 3 | -15 | 5 |
PackLTempAlarm3
PACK放電溫度過低故障3級 | -20 | 3 | -17 | 5 |
PackHTempAlarm1
PACK放電溫度過高故障1級 | 57 | 3 | 54 | 5 |
PackHTempAlarm2
PACK放電溫度過高故障2級 | 58 | 3 | 55 | 5 |
PackHTempAlarm3
PACK放電溫度過高故障3級 | 60 | 3 | / | / |
3.7 絕緣電阻低告警
Item Definition /報(bào)警類別定義 | Trigger Threshold /觸發(fā)閾值 | Trigger Delay (s) /觸發(fā)延時(shí) | Release Threshold /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時(shí) | Condition/充、放電狀態(tài) |
ISORAlarm1
絕緣過低報(bào)警1級 | <500?/V | 30 | >=600 ?/V | 30 | During charger &discharge 充放電狀態(tài) |
ISORAlarm2
絕緣過低報(bào)警2級 | <200?/V | 30 | >=300 ?/V | 30 |
ISORAlarm3
絕緣過低報(bào)警3級 | <100?/V | 6 | / | / |
3.8 被動(dòng)均衡功能
當(dāng)任何單體電芯Cx" (X=1 to 20)的電壓高于VBLON，并且壓差大于VBLDE1時(shí)，以電流IBL開啟均衡功能，直到最大壓差小于VBLDE2或者充電完成
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態(tài): |
VBLON (Minimum voltage for cell)/單體最小電壓 | 3.95V ± 25mV (per cell) | When charging/充電時(shí) |
VBLDE1 (Minimum voltage deviation)/壓差 | 50 mV |
VBLDE2 (Minimum voltage deviation)/壓差 | 20 mV |
IBL (balancing current) /均衡電流 | 140 mA Max |
Max balancing quantity at same time/同時(shí)刻最多均衡單體數(shù)量 | 10 series |
3.9 預(yù)放電
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態(tài): |
IPD (Max Pre-Discharge current) /最大預(yù)放電流 | 3.9A | Before connecting the main power loop/主回路連接前 |
tPD (Max Pre-Discharge time)/最大預(yù)放時(shí)間 | 1500 ms |
Pre-Discharge over time limit release /預(yù)放超限處理 | 上報(bào)預(yù)放失敗故障，中止上電 Report the failure of Pre-Discharge and stop power |
3.10 工作模式與功耗
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態(tài): |
IBSC1 (BMS self-consumption current 1) /BMS功耗1 | 150uA Max | Sleep mode/ 休眠模式 |
IBSC2 (BMS self-consumption current 2) /BMS功耗2 | 50mA Max | Working mode 工作模式 |
4 軟件設(shè)計(jì)說明
4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)說明
為了提高代碼的可維護(hù)性、可重用性、可測試性、減少代碼間的耦合、兼容不同開發(fā)工具，將軟件主要分為ASW,RTE和RSW三層。
ASW：實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、電芯數(shù)據(jù)處理、診斷、上下高壓、絕緣、IO口控制等模塊；在Matlab中的Simulink和Stateflow功能模塊建模并生成代碼，再把代碼放入工程中。
RTE：實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，也就是連接應(yīng)用層和底層的中間層，因?yàn)槠鹆顺猩蠁⑾碌淖饔盟圆捎昧耸謱慍代碼的方式，可以靈活修改。RTE包括M_Interface.c、Protocol.c、Manage.c、Tool.c、Task.c。M_Interface.c中申明了ASW層的所有輸入變量和調(diào)用的函數(shù)。Protocol.c中包了內(nèi)部通信協(xié)議（主從通信、并包通信）和外部通信協(xié)議（BMS和EMS通信）。Manage.c中包括了存儲的管理，比如GD32F4內(nèi)部Flashde管理和W25Q外部存儲的管理。Tool.c中包括了RTE的一些工具函數(shù)。Task.c管理了所有任務(wù)的調(diào)度，包括了ASW和BSW的任務(wù)。
BSW：驅(qū)動(dòng)層，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，并配置每一個(gè)管腳的輸入輸出和通信功能，并封裝各個(gè)模塊，生成對RTE層的接口。供上層調(diào)用。
4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)說明
上位機(jī)功能界面顯示：
1、通信配置界面、用戶登錄界面
2、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及控制界面；顯示信息有單體電芯電壓、溫度、總壓、告警信息、狀態(tài)信息等，控制界面有上下高壓控制、充放電設(shè)置控制等
3、數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)寫入和導(dǎo)出功能界面。數(shù)據(jù)記錄包括記錄實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)到excel，寫入數(shù)據(jù)有故障閾值，校準(zhǔn)閾值等，導(dǎo)出數(shù)據(jù)包括歷史故障、歷史事件、歷史運(yùn)行參數(shù)等
