劉永臣 巨永鋒 張嘉洋 杜 凱

（長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院）

電池管理系統(tǒng)（BMS）既是新能源汽車的重要組成部分，又是連接電池與用戶的樞紐，具有提高電池有效利用率、防止電池過(guò)度充放電、延緩電池?fù)p耗、增加使用壽命、監(jiān)控電池的狀態(tài)的作用，可以更加合理地管理和控制電池［1］。電池作為電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，由于電壓和功率對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)的要求，電池需要相互并聯(lián)或串聯(lián)才能達(dá)到要求進(jìn)行使用。由于電池制作工藝的不同且電池反復(fù)使用，不斷充電放電消耗，電池單體電量間的差異越來(lái)越明顯，長(zhǎng)此以往會(huì)對(duì)電池造成不可恢復(fù)的消耗損壞，電池的使用壽命將大打折扣。這也成為新能源汽車核心技術(shù)難以突破的瓶頸，所以電動(dòng)汽車的發(fā)展需要電池管理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)支撐［2］。

目前，鋰離子電池是新能源汽車中使用范圍最廣的電池，鋰離子電池具有環(huán)保、循環(huán)壽命長(zhǎng)及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中存在一些缺陷亟待解決，如電池單體間差異、電池單體損壞、數(shù)據(jù)采樣精度低及熱失控現(xiàn)象等［3］。因此，電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響電池的效率，而在電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是功能測(cè)試。筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款電池管理系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池管理系統(tǒng)功能的全自動(dòng)測(cè)試，有效提高了功能測(cè)試的準(zhǔn)確性、全面性和測(cè)試效率。

1 BMS概述及測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1 BMS簡(jiǎn)介

電池管理系統(tǒng)又被形象地稱為“電池保姆”或“電池管家”，其主要功能為全自動(dòng)、智能化管理并實(shí)時(shí)維護(hù)電池單元，防止電池過(guò)充電或過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)［4］。

BMS的主要功能有：

a.測(cè)量電池端電壓，電池組總電壓、總電流；

b.均衡單體電池間的能量，使電池組中每塊電池能量均衡一致［5］，均衡技術(shù)是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［6］；

d.動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)；

e.顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

f.數(shù)據(jù)記錄及分析，同時(shí)挑選出有問(wèn)題的電池，保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性；

g.通信組網(wǎng)功能［7］。

1.2 CAN總線基本概述

CAN總線需要在對(duì)等的層次上才能進(jìn)行通信，因其具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸和強(qiáng)大的抗干擾能力，且傳輸效率高，被廣泛應(yīng)用在電子控制單元（ECU）與測(cè)試器之間的通信上，它具有以下特性：

a.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程具有最大的靈活性；

b.最大程度定制網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)地址；

下面對(duì)可能影響矩形空心墩變形能力的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，孫治國(guó)等通過(guò)有限元模擬，采用位移角作為延性目標(biāo)對(duì)圓形空心墩的延性性能進(jìn)行了研究。但國(guó)內(nèi)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，一般采用位移延性能力作為檢驗(yàn)墩柱延性能力的指標(biāo)。固本文采用位移延性能力作為延性指標(biāo)，對(duì)縱筋配筋率、壁厚、軸壓比及縱筋強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)矩形空心墩抗震能力的影響。

c.網(wǎng)管只需要知道子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址，而不需要知道子網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的地址。

1.3 BMS測(cè)試方案設(shè)計(jì)

BMS全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)測(cè)試軟件通過(guò)CAN接口與測(cè)試平臺(tái)連接，測(cè)試平臺(tái)提供待測(cè)設(shè)備的硬件測(cè)試環(huán)境。上位機(jī)測(cè)試軟件通過(guò)發(fā)送測(cè)試命令，接收測(cè)試結(jié)果，控制測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS各項(xiàng)功能的檢測(cè)。

圖1 BMS全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)測(cè)試軟件測(cè)試的內(nèi)容包括：CAN通信測(cè)試，系統(tǒng)電壓測(cè)試，BMS電流測(cè)試，BMS充電測(cè)試，BMS通信測(cè)試，BMS電流采集測(cè)試，BMS高低邊開(kāi)關(guān)測(cè)試，BMS開(kāi)關(guān)量輸入測(cè)試，BMS充電接口測(cè)試，BMS的SOC設(shè)置測(cè)試，BMS溫度采集測(cè)試，BMS電子鎖測(cè)試。硬件連接過(guò)程為：將CAN通信卡USB接口與電腦/筆記本進(jìn)行連接；將CAN通信卡的CAN接口與測(cè)試平臺(tái)連接；將待測(cè)設(shè)備安裝到測(cè)試平臺(tái)；將待測(cè)設(shè)備和測(cè)試平臺(tái)上電。

2 BMS功能測(cè)試設(shè)計(jì)

2.1 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

初始化。初始化主要包括基礎(chǔ)的設(shè)置，如工作方式、比特率及接收濾波方式等，其流程如圖2所示。在設(shè)定完寄存器之后，確定系統(tǒng)的比特率為250kbit/s。

圖2 初始化流程

報(bào)文接收。接收的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一個(gè)5級(jí)的輸入FIFO存儲(chǔ)器中，接收子程序可以通過(guò)查詢或中斷的方式來(lái)接收數(shù)據(jù)。筆者采用中斷方式接收?qǐng)?bào)文，可降低CPU的負(fù)載，提高實(shí)時(shí)性，具體流程如圖3所示。

圖3 報(bào)文接收中斷服務(wù)程序流程

報(bào)文發(fā)送。筆者采用定時(shí)方式來(lái)發(fā)送CAN通信模塊數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)，CPU檢查CAN通信模塊的發(fā)送緩沖區(qū)，若處于“釋放”狀態(tài)，則CPU將發(fā)送的信息傳送到該發(fā)送緩沖器，然后將標(biāo)志清零，啟動(dòng)發(fā)送，發(fā)送期間CPU不能訪問(wèn)發(fā)送緩沖器。發(fā)送成功后，發(fā)送緩沖區(qū)回到“釋放”狀態(tài)，這時(shí)CPU就可以訪問(wèn)發(fā)送緩沖器，繼續(xù)進(jìn)行下一次發(fā)送操作［8］，報(bào)文發(fā)送流程如圖4所示。

圖4 報(bào)文發(fā)送流程

2.2 電流/電壓測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

主控芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可將電流傳感器和電壓傳感器分別采集的電流、電壓信號(hào)傳送到主控芯片，完成信號(hào)的處理［9］。電流/電壓測(cè)試模塊設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 電流/電壓測(cè)試模塊設(shè)計(jì)流程

3 BMS軟件功能驗(yàn)證

使用BMS測(cè)試平臺(tái)對(duì)BMS的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，既可以分析出待測(cè)BMS的缺陷和不足之處，也可以驗(yàn)證BMS測(cè)試平臺(tái)的功能是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。按照既定的軟件操作流程，在9V供電下測(cè)試BMS系統(tǒng)。

3.1 測(cè)試全自動(dòng)測(cè)試工裝與上位機(jī)的通信

全自動(dòng)測(cè)試工裝MCU通過(guò)CAN通信模塊0口和上位機(jī)握手通信，如果通信有故障，則蜂鳴器報(bào)警。

3.2 電壓測(cè)試

系統(tǒng)上電后，功率控制MCU_PCON（PJ6）置高，MCU_12VCON（PS3）置 低，MCU_16VCON（PS2）置低，默認(rèn)電壓輸出為9V，9V LED亮起。檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換器采集的電壓VOUT_AD，對(duì)應(yīng)于MCU模擬輸入AN02，輸出電壓值（單位V）為：

如果輸出電壓為9V±1V，上報(bào)上位機(jī)處于9V測(cè)試系統(tǒng)，并執(zhí)行下一步，否則上報(bào)上位機(jī)電源輸出故障，蜂鳴器報(bào)警。

3.3 電流測(cè)試

電流控制測(cè)試端MCU_VOCON（PJ7）置低，使R（1Ω）有效，防止產(chǎn)生過(guò)流，目的是保護(hù)電路；MCU_K30CON（PS1）置高，打開(kāi)BMS常供電，測(cè)量VOP_AD（AN10）電壓，則BMS靜態(tài)電流（單位mA）為：

如果靜態(tài)電流不在正常范圍之內(nèi)，上報(bào)故障：靜態(tài)電流過(guò)大。

MCU_K30CON（PS1）置高，打開(kāi)BMS常供電；K15_CON（PS0）置高，使能ON擋信號(hào)，測(cè)量VOP_AD（AN10）電壓，則BMS工作電流（單位mA）為：

如果工作電流不在正常范圍之內(nèi)，上報(bào)故障：工作電流過(guò)大或BMSON擋故障。

計(jì)算完成后，電流控制測(cè)試端MCU_VOCON（PJ7）置高。

3.4 通信、溫度等測(cè)試

測(cè)試BMS3個(gè)CAN通道接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的性能，具體為通過(guò)通道1下發(fā)給BMS一個(gè)數(shù)據(jù)，BMS收到后回發(fā)另外一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)通道2下發(fā)給BMS一個(gè)數(shù)據(jù)，BMS收到后回發(fā)另外一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)通道3下發(fā)給BMS一個(gè)數(shù)據(jù)，BMS收到后回發(fā)另外一個(gè)數(shù)據(jù)。

采集TEMP_AD（AN08）電壓，通過(guò)溫度分度表，計(jì)算得出目前的溫度值。通過(guò)BMS內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)，讀取BMS主板采集到的溫度信息，對(duì)比分析溫度信息，溫度差在±2℃之內(nèi)即為合格，否則上報(bào)故障。

通過(guò)BMS內(nèi)網(wǎng)CAN總線，將隨機(jī)設(shè)置的SOC值下發(fā)到BMS主板，等待主板返回信息，如果設(shè)置不成功上報(bào)故障，如果設(shè)置成功則命令主板回讀設(shè)置的SOC值，與設(shè)置的SOC值進(jìn)行對(duì)比，如果不一致，上報(bào)故障。

3.5 驗(yàn)證說(shuō)明

安裝完畢后，在電腦上運(yùn)行測(cè)試軟件，打開(kāi)登錄界面（圖6），設(shè)置好“設(shè)備類型”和“比特率”，點(diǎn)擊“OK”鍵。

圖6 登錄界面

連接成功后，進(jìn)入BMS全自動(dòng)測(cè)試軟件測(cè)試界面（圖7）。

首先設(shè)置初始值，將初始值填入方框中，點(diǎn)擊“設(shè)置”，彈出“設(shè)置成功”或“設(shè)置失敗”提示。點(diǎn)擊“整體測(cè)試”按鍵。若測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)故障，測(cè)試平臺(tái)會(huì)有報(bào)警提示音，點(diǎn)擊“報(bào)警消除”按鍵，停止提示音。測(cè)試過(guò)程中當(dāng)用戶需要停止測(cè)試時(shí)，點(diǎn)擊“停止測(cè)試”按鍵。測(cè)試完成后，頁(yè)面上會(huì)顯示9、12、16V這3個(gè)模式下的測(cè)試結(jié)果，并將測(cè)試過(guò)程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示在白色方框內(nèi)，如圖8所示。

圖7 測(cè)試界面

圖8 測(cè)試結(jié)果界面

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)了電池管理系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試軟件，軟件根據(jù)測(cè)試目標(biāo)分析總體功能要求，確定測(cè)試內(nèi)容。使用Visual C++6.0軟件，采用C/C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)人機(jī)界面。對(duì)軟件的驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明：所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)全自動(dòng)測(cè)試軟件能滿足預(yù)設(shè)的功能需求，有效提高了測(cè)試效率。