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“電池”在我們的生活中隨處可見(jiàn)，比如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)中都有使用電池，由于鋰電池能量密度高，循環(huán)次數多等優(yōu)點(diǎn)，鉛酸電池開(kāi)始慢慢被鋰電池替代，在新國標的施行下，鋰電池電動(dòng)兩輪車(chē)市場(chǎng)也引來(lái)了新的發(fā)展熱潮。但是鋰電池在使用不規范的時(shí)候往往會(huì )影響電池容量、安全性、健康狀態(tài)和續航能力等，因此在使用鋰電池的時(shí)候需要嚴格的電池管理系統（Battery Management System，BMS）對電池進(jìn)行監控和及時(shí)的保護，防止鋰電池的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、短路等，同時(shí)進(jìn)行智能控制充放電，充分發(fā)揮電池的性能并提高電池的一致性。常用的電動(dòng)兩輪車(chē)的BMS架構如下圖所示。
圖1 高邊驅動(dòng)同口設計
圖2 低邊驅動(dòng)分口設計
從上圖可以看出，電動(dòng)自行車(chē)的BMS主要分為以下幾個(gè)部分：
1.電池信息采集，保護電路
2.MCU控制部分，包含SOC、SOH等算法
3.充放電功率通路
4.通信傳感
一、電池信息采集，保護電路
此電路包含單體電池采集使用的模擬前端AFE（高邊驅動(dòng)設計要使用高邊驅動(dòng)IC）以及片內集成MOS控制驅動(dòng)電路，AFE通過(guò)采集電芯的電壓、電流和溫度，在過(guò)壓、欠壓、欠溫、過(guò)流或短路的情況下控制充放電MOS關(guān)斷，實(shí)現電池保護。AFE內部集成均衡電路，也可以外加均衡電路實(shí)現均衡電流調節。
二、MCU控制部分
MCU部分采用GD 32-bit F3/E2/L2系列MCU，MCU通過(guò)SPI和模擬前端AFE通信，獲取模擬前端讀取到的電流、電流、溫度等信息，通過(guò)MCU將模擬前端的V、I、T等信息并結合電池充放電模型計算出SOC和SOH。在電池信息異常上報并智能控制AFE實(shí)現充放電管理。
三、充放電功率通路
低邊驅動(dòng)相比較于高邊驅動(dòng)而言，成本更低，更易于實(shí)現，目前很多AFE也集成了低邊驅動(dòng)，市面上的兩輪車(chē)多以低邊驅動(dòng)為主。高邊驅動(dòng)如果采用NMOS FET需要升壓才能驅動(dòng)，相比較低邊驅動(dòng)會(huì )多出升壓電路的成本，如果是采用PMOS控制比較簡(jiǎn)單，但是PMOS的成本比NMOS高。AFE內部集成MOS低邊驅動(dòng)，也可以外掛高邊驅動(dòng)電路。
四、通信傳感
為了方便用戶(hù)實(shí)時(shí)了解電動(dòng)車(chē)電池包的電壓、電流、溫度等情況，BMS集成BT/WiFi通信電路或者是RS-485，通過(guò)BT/WiFi可以將電池信息實(shí)時(shí)同步到用戶(hù)手機端。
目前主流的電動(dòng)兩輪車(chē)BMS，一般采用8~16串電池包為主，下圖是基于GD32 F3/E2/L2系列MCU主從一體的BMS方案可適用于8~16串鋰電池，該BMS方案包含模擬前端的信息采集、保護電路，MCU SOC計算，充放電功率通路和可選的BT/WiFi通信和RS-485通信，該BMS方案將電池組單體電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控并上報用戶(hù)，并根據用戶(hù)設定的保護參數進(jìn)行自我控制，在電池組工作異常的情況下及時(shí)關(guān)斷充放電，該方案通用性比較強，可以根據用戶(hù)需求，在8~16串以?xún)茸远x電池串數，采用低邊驅動(dòng)同口設計方案，充放電高達60A，兼容NCM、LFP等鋰電池。
圖3 實(shí)物圖
圖4 實(shí)測
方案特點(diǎn)
電池參數檢測：檢測電池總電壓、電流、單體電壓、溫度；
電池狀態(tài)估計：SOC、SOH、容量統計；
故障診斷、告警保護：電池過(guò)欠壓、過(guò)欠溫、過(guò)流短路、采集故障等告警保護；
充放電控制、均衡管理：智能控制電池充放電、充電均衡；
數據存儲：參數修改、故障現場(chǎng)數據存儲和讀取、固件更新；
通信控制：通信方式有CAN、RS485，可以和上位機、負載設備、充電機、顯示設備、4G模塊、藍牙模塊等通信。
