罗中宝
宝星智能科技（上海）有限公司 上海 201415
摘要：锂电池在二轮电动车应用越来越广泛，其暴露出来的事故主要包括起火、爆炸等安全隐患，所以需要研究一套可靠的电池管理系统，用来保证使用者的人身和财产安全。
关键词：电池管理系统，锂电池组，两轮电动车，大数据监控平台
前言：目前城市人口急剧增长，面对交通堵塞的压力，居民出行更愿意选择便捷的两轮车方式。铅酸电池存在能量密度低、循环寿命短等缺陷，同时还对环境存在污染。而锂电池恰恰补足铅酸电池这些短板，所以锂电池代替铅酸电池势在必行。目前中国市场上有近3亿辆电动车，社会保有量有超过90%属于铅酸电车。按照各地政府给出3-5年的过渡期，也就是说3-5年内市场的需求将会超过2.5亿辆新国标电动车，未来整个电动车行业年产销量一定会突破4000万、5000万辆，甚至年销量能够达到5500-6000万的量级，未来的锂电动车出行市场的需求十分旺盛，发展前景十分可观。
1. 电池管理系统设计
常用的电动自行车锂电锂离子电池，一般通过串联或并联的方式形成锂离子电池组，以满足电压和功率的使用要求。锂电池在出厂或者长期使用过程中，由于环境温度变化，过充过放等因素影响，电池单体性能会发生差异，一致性不一样。电池组性能取决于性能最差的单体力量，因此需要通过BMS对锂电池电池组进行有效的能量管理，以提高锂电子电池组的使用效率，延长电池组使用寿命，降低运行成本提高，提高电池组可靠性[1]。
1.1 电池管理系统方案设计
电池管理系统主要功能包括：1、电池信息测量子模块；2、充放电控制电路；3、最小单片机系统；4、均衡控制电路；5、GPRS远程通讯模块；电池信息测量模块，采集锂电池单体电压、总电压、总电流、温度等锂电池信息。充放电控制电路通过MOS管控制总负端输出，总正端直接连接外部输出。最小单片机系统通过IIC通讯协议与电池信息测量模块进行内部通讯，对电池进行充电、放电、均衡及电池异常状态下保护管理。在某个电池单体出现较大压差时，均衡电路通过消耗其能量的方式，使电池组满足使用的要求。锂电池组外部通讯，一般采用RS485或都CAN通讯两种方式。本文外部接口采用是RS485通讯方式，与电机和整车控制器进行数据交互。GPRS模块可将锂电池信息上传至大数据监控平台，监控平台可同时实现多个锂电池组实时监控和预警功能。
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1.2 电池管理系统硬件电路设计
本文基于中颖公司SH367309采集芯片和ST公司STM32F301C8T6单片机芯片进行设计和实现，与其他分立元器组成锂电池管理系统的电路设计。
SH367309主要实现以下功能：
1.锂电池信息测量，主要包括16路单体电压采集、1路总电流采集、2路温度采集。每路单体电压经过1K的限流和0.1uF滤波电容后至SH363709的AD采集端口，每个AD采集单体电压信号经SH367309进行内部处理后，由SH367309通过IIC通讯传送给STM32F301C8T6单片机;检流电阻可选择阻值小且精度高的合金电阻，一般检流电阻值范围0.001-0.005Ω，精度为0.1-0.5%，功率选择5W-10W范围值；当电流流过检流电阻时，在检流电阻上产生电压降，检测检流电阻上的电压值可计算出实际输出的电流值大小。电池温度采集是利用NTC温度传感器温度变化特性来实现。NTC温度传感器贴在锂电池正负极柱上，当锂电池极柱上的温度发生变化时，NTC温度变化转化为电阻信号，再经过SH367309芯片内部的分压电路，电阻值转换为相应的电压信号，由单片机来计算出电池的温度值；
2.充电、放电MSO管的控制，本文设计的最大充放电电流可达到40A，经实际检测满足二轮车最高功率需求；电池总负端B-经过分流电阻后连接放电MOS管和充电MOS管。SH367309通过控制充放电MOS管GS两端的电压，当MOS管GS两端的电压为高电平时，MOS管导通；当MOS管GS两端的电压为低电平时，MOS管断开，实现电池充放电管理功能。适当调整MOS管GS两端并联的电阻值大小，可以调节MOS管导通性能，防止MOS管过热损坏。MOS管GS两端并联一个10M电阻和肖特基二极管，当MOS管截止时，可将MOS管内部存储的能量进行泄放。考虑到MOS管的内阻和散热性能，当电流达到处40A时，需要用多个MOS进行并联，本设计采用3个充放电MOS管进行并联使用，同时MOS管的表面这需贴有铝块散热器加速散热，经测试MOS管加铝块后，散热效果良好。
3.被动均衡电路，三极管S8050与电阻串联组成被动放电电路，本电路最大均衡电流为200mA。三极管S8050做为开关电路，被动均衡的原理是利用串联电阻进行能量消耗[3]。比如当某个单体大于设定的电压值时，STM32F301C8T6单片机开启被动均衡功能。通过调整串联的电阻值大小，可配置不同均衡电流。需要注意的是均衡电流过大，在串联电阻上会产生大量热能，需要考虑散热措施。
单片机STM32F301C8T6主要实现以下功能：
1.与SH367309芯片之间实现数据通讯，通信方式为IIC协议；
2.电池状态评估和电池告警、保护信息处理，电池状态评估主要是对电池电压、电流、温度、内阻、温度、系统时间等进行分析，计算出当前电池的SOC、SOH状态[1]。其中电池告警和保护信息包括单体电压欠压告警、单体电压过压告警、过流保护、短路保护、过温保护、低温保护；例如，当电池温度过高时，可利用MOS管来切断电路，起来保护电池组作用。
3.本文中锂电池组对外部采用RS485通讯。电池组和整车控制器、充电器用RS485协议进行数据交互。根据电动自行车实际运行工况，进行充放电电流大小调节，控制电机扭矩值，从而实现电动自行车的车速快慢的控制。
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4.GPRS远程通讯模块设计
SIM868是芯讯通公司针对目前火热的电动自行单车，推出的一款M2M模块，支持GSM、GPRS、GPS、LBS、蓝牙功能。利用SIM868的GPRS功能，可实现电池位置的精准定位以及电池数据上传至监控平台。SIM868支持2G和4G数据接入。例如，当前市场上运行的电动自行车锂电池组数据通过4G信号上传至监控平台，利用监控平台大数据处理能力，可快速发现锂电池组故障和潜在安全。通过监控平台大数据统计分析和提前预警功能，可有效保证锂电池组的安全运行。
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2. 电池管理系统系统测试
本系统测试分为2个方面，分别对锂电池采集信息单元模块和监控平台数据进行测试。
2.1 单元模块测试
通过数控电池模拟设备模拟16串电池组工作状态，使用直流电压源为电池组进行充电，电子负载进行模拟电机放电。用6位半高精度数字万用表检测实际电压、电流信号，与监控平台上的数据进行差异对比分析。
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2.2监控平台锂电池数据测试
电池管理系统采集的锂电池ID、SOC、单体电压、电流、温度、位置等有效信息，通过4G移动通讯技术上传到监控平台。监控平台可同时管理多个锂电池组的上传信息，并对这些信息进行统计和分析。发现电池组有异常问题，可通过人工电话或其他方式联系用户，达到提前预警功能。经过测试，监控平台上锂电池组的信息真实有效，电池组的实际位置与手机定位精度误差在10米范围以内，满足设计需求。
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结语
综上所述，二轮电动自行车锂电池管理管理系统的设计是一项复杂的设计课题，不仅要具备电子电路专业知识，还需要对锂电池的化学特性深入的了解。本文从锂电池组安全方面入手，将电池基本信息进行采集，并上传至大数据监控平台。利用大数据监控平台的数据处理优势，实现锂电池及时的安全预警，同时也可以对用户车辆状况、锂电池丢失寻回、使用年限做统计和分析。在市场商业应用方面，通过锂电池大数据信息分析和统计，对潜在用户的锂电池组更换和购车消费需求也可做出提前预判。本设计方案，经实际推广，即保证了锂电池组的安全运行，同时也具备很高的商业应用价值。
参考文献：
[1]王顺利,于春梅,毕效辉,李小霞.新能源技术与电源管理.电气工程新技术丛书，2019.7：11
[2] 谭晓军，电动汽车智能电池管理系统技术. 2019.8：41-42
[3] 谭晓军，电动汽车动力电池管理系统设计. 2011.8：118-119