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高效提升電池壽命和安全性 | 基于ACM32 MCU的BMS應(yīng)用方案


電池管理系統(tǒng)（BMS）通過(guò)監(jiān)控電池的狀態(tài)，智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，從而防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠最大限度地延長(zhǎng)電池整體使用壽命，有效保障設(shè)備安全。


BMS電池管理概述


BMS，即電池管理系統(tǒng)（Battery Management System），隨著鋰電池的廣泛應(yīng)用，BMS作為鋰電池的“保姆”也越來(lái)越被大眾所關(guān)注。相較于傳統(tǒng)電池，鋰電池具有更好的能力密度，更高的工作電壓，更低的放電率。但鋰電池在面對(duì)過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題時(shí)，相對(duì)脆弱。由于鋰電池組在生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中存在的差異性，會(huì)導(dǎo)致電池單體之間天然就存在著不一致性。這種不一致性主要表現(xiàn)在單體容量、內(nèi)阻、自放電率、充放電效率等方面。單體的不一致，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題，進(jìn)而造成電池壽命下降甚至死亡或損壞。



圖1 | 容量不一致時(shí)充放電過(guò)程示意圖


如圖1所示，由于電池單體的差異，在充電時(shí)，低容量電池充電已飽和，而較大容量的電池電量未滿(mǎn)，此時(shí)對(duì)于小容量單體來(lái)說(shuō)，則處于過(guò)充狀態(tài)。相反，放電時(shí)，較大容量的電池仍然處于放電狀態(tài)，而小容量電池電量已空。有研究表明，單體電芯20%的容量差異，會(huì)帶來(lái)超過(guò)40%的容量損失。


而B(niǎo)MS模塊則是為避免該問(wèn)題的出現(xiàn)而存在。BMS會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體的容量，并采用電池均衡手段來(lái)保證電池的正常工作。將不同容量的單體比作體積不同的水桶，而電池的電量好比是水桶中存留的水。充放電時(shí)，BMS會(huì)將快滿(mǎn)的“水桶”里面的“水”轉(zhuǎn)移到較空的“水桶”中，以此來(lái)保證整體電池電量的均衡，避免出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放的問(wèn)題。如圖2所示。



圖2 | BMS電池均衡示意圖


上海航芯BMS應(yīng)用方案


上海航芯推出的BMS應(yīng)用方案，采用ACM32F403/ACM32G103系列MCU作為主控芯片，最高工作頻率可達(dá)180MHz/120MHz，內(nèi)置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM，滿(mǎn)足一般BMS算法庫(kù)的需求。內(nèi)置2Msps/3Msps采樣率12位ADC，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯電壓、電流、溫度等信號(hào)的高頻采樣。具有USB/UART/CAN/SPI等多種通訊接口，足以應(yīng)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合（如需要485通信的兩輪電動(dòng)車(chē)，需要CAN接口的新能源汽車(chē)等）。基于ACM32F403/ACM32G103的BMS方案結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：



圖3 | BMS系統(tǒng)框圖


ACM32F4/ACM32G1主控芯片，通過(guò)ADC對(duì)敏感信號(hào)進(jìn)行采樣，并依照BMS算法庫(kù)計(jì)算得到當(dāng)前電池的SOC、SOH等數(shù)據(jù)，執(zhí)行均衡以及熱管理控制，保證電池處于正常的工作狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，支持在線(xiàn)警報(bào)同時(shí)給出LED指示信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)可以通過(guò)CAN/USB/UART等接口進(jìn)行上報(bào)。