程良燕

(安徽城市管理職業(yè)學院 軌道交通學院，安徽 合肥 230011)

隨著我國物流快遞行業(yè)的快速發(fā)展，小型電動物流車應用越來越廣泛，如何降低其成本并實現(xiàn)安全、信息化管理，是小型電動物流車生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問題[1]。這就要求設計一種高性價比的智能化電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)，即該BMS不僅應具有硬件成本低的特點，還應具有軟件開發(fā)成本低且運行效率高的特點[2-3]。本文的低成本BMS自制樣機以STM32F072為主控芯片，通過設計相應的軟件，以實現(xiàn)對小型電動物流車鋰電池的安全和信息化管理。

1 BMS結構與功能

本文的BMS結構如圖1所示，由主控單元(main control unit，MCU)、模擬前端(analog front end，AFE)、庫侖計/電流采樣單元、均衡電路、充放電單元、系統(tǒng)電源休眠及待機喚醒單元、電池電加熱單元、液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)觸控屏單元及外圍接口單元等組成。

圖1 BMS結構

MCU負責對系統(tǒng)所有開關量及模擬量進行采集與計算，并結合預先標定的參數(shù)及控制邏輯，對系統(tǒng)進行安全管理與通信，控制電池組的充放電、均衡電路、系統(tǒng)電源休眠和待機喚醒以及系統(tǒng)荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的計算等。AFE實現(xiàn)對電池電壓和溫度的采集，與庫侖計/電流采樣單元共同作用以實現(xiàn)對電池電流的采集，并通過I2C與MCU進行通信，用以實現(xiàn)對電池電壓、溫度、電流的計算及測量。均衡電路實現(xiàn)電池組的充電均衡和放電均衡，并結合均衡控制策略對電池組各串聯(lián)電壓進行均衡，避免短板效應，從而保持電池組處于最佳狀態(tài)。電池電加熱單元可在低溫環(huán)境下提高電池能量利用效率。帶協(xié)議的RS485、CAN及LCD觸控屏與MCU通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)所有參數(shù)和狀態(tài)的查看及設置。

2 BMS的軟件設計

2.1 開發(fā)工具與平臺

本設計采用嵌入式編程軟件MDK5為主要編程軟件平臺，STM32CubeMX軟件為系統(tǒng)初始化工具平臺。MDK5軟件針對STM32F系列，具有完善的基于HAL庫的軟件包，底層程序對STM32F系列芯片的兼容性好，且兼容J-Link等多種在線調(diào)試工具[4]。STM32CubeMX軟件根據(jù)功能需求及系統(tǒng)配置條件，可配置生成基于HAL庫的系統(tǒng)框架程序，其生成的工程程序文件包括內(nèi)核程序、各API函數(shù)及系統(tǒng)框架程序的初始化函數(shù)，并與MKD5兼容。本設計在MDK5上通過調(diào)用基于HAL庫的API函數(shù)進行功能算法和邏輯程序設計，即可實現(xiàn)BMS的功能及算法要求。

2.2 整體程序架構

本軟件架構可分為底層、中間層及接口層，如圖2所示。底層由API函數(shù)和時間片輪詢程序組成，其中，API函數(shù)是直接訪問硬件的接口。中間層基于底層API函數(shù)及時間片輪詢程序，實現(xiàn)BMS各功能任務，包括對系統(tǒng)采集到的各種模擬量及狀態(tài)量進行處理轉換、中斷源發(fā)生后的實時處理、各種狀態(tài)及報警指示、休眠及喚醒工作的處理、顯示屏多級菜單頁的處理、系統(tǒng)各種狀態(tài)信息的存儲及數(shù)據(jù)輸出、系統(tǒng)邏輯功能的實現(xiàn)及SOC的計算等。接口層主要實現(xiàn)BMS與所有外設設備通信信息的處理及轉換，從而保證BMS能夠與上位機、LCD觸控屏以及智能手機進行通信，實現(xiàn)智能化管理。

圖2 BMS設計的整體程序架構

2.3 底層程序設計

2.3.1 API函數(shù)

本設計使用的API函數(shù)全部由STM32 CubeMX軟件生成，API函數(shù)種類由所需的功能模塊決定，主要包括系統(tǒng)時鐘函數(shù)、I/O控制函數(shù)、ADC函數(shù)、溫度傳感器、中斷服務函數(shù)、RTC函數(shù)、2個串口函數(shù)、DMA處理函數(shù)等。

2.3.2 時間片輪詢程序

時間片輪詢程序，用以實現(xiàn)對除中斷程序及初始化程序外的所有程序模塊高效有序的組織運行。傳統(tǒng)的順序執(zhí)行結構具有程序簡單、硬件調(diào)試方便等特點，但大中型嵌入式系統(tǒng)為了協(xié)調(diào)各功能函數(shù)，通常會加入大量的阻塞式延時函數(shù)，最終導致程序臃腫，執(zhí)行效率嚴重下降[5-6]。實時操作系統(tǒng)，如μClinux、μC/OS-Ⅱ，可以實現(xiàn)多任務、多線程、多級軟中斷等功能，但其系統(tǒng)內(nèi)核結構復雜，占用程序空間大，且調(diào)試過程復雜[7-8]。因時間片輪詢程序占用空間小，且可以實現(xiàn)多任務處理，系統(tǒng)調(diào)試簡單，除主程序在系統(tǒng)初始化階段會用到個別阻塞式延時程序外，其他程序中不用加入任何阻塞式延時，而是通過輪詢周期實現(xiàn)延時。最終系統(tǒng)既保證了程序執(zhí)行的效率，也保證了程序代碼占用的空間在限定的范圍內(nèi)，故本設計采用時間片輪詢程序結構。

BMS的各功能任務模塊通過時間片輪詢法進行調(diào)用，且可以根據(jù)不同的程序結構要求初始化出多個時間片。本設計將時間片分為4種輪詢周期，分別為1 ms、10 ms、0.5 s和1 s。

1 ms時間片：主要用于各種信息和狀態(tài)的采集，將采集的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)的狀態(tài)寄存結構體及臨時數(shù)組中，并不做狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理，以保證數(shù)據(jù)及狀態(tài)的實時性。由于AFE的BQ769XX系列專用鋰電池管理芯片的數(shù)據(jù)刷新周期為250 ms[9]，因此 可保證在1 ms的高刷頻率下，不會漏采數(shù)據(jù)。

10 ms時間片：主要進行邏輯狀態(tài)的處理、通信處理、狀態(tài)和信息的指示及顯示等對實時性要求不太嚴格的任務。

0.5 s及1 s時間片：主要處理無實時性要求的任務，如系統(tǒng)參數(shù)的更新、狀態(tài)信息的存儲、系統(tǒng)待機任務、BMS加密、刷新開門狗、時間校準等。

2.4 中間層典型程序設計

2.4.1 初始化程序

初始化程序只在第一次開機或從休眠狀態(tài)喚醒后運行一次，流程圖如圖3所示。主要包括：(1)系統(tǒng)API函數(shù)的初始化，如STM32F 072芯片的系統(tǒng)時鐘、GPIO、DMA、串口、ADC、I2C、看門狗、RTC等；(2)用戶程序的初始化，內(nèi)容包括系統(tǒng)時間片輪詢程序初始化、對AFE芯片初始配置、將系統(tǒng)休眠前或系統(tǒng)第一次上電的各狀態(tài)標志位對應的數(shù)值存入寄存器、使系統(tǒng)從第一次開機或休眠狀態(tài)平順過渡到正常工作狀態(tài)。

圖3 中間層初始化程序流程圖

系統(tǒng)時間片輪詢程序初始化設計為：時間片輪詢函數(shù)的總計數(shù)器首先清零，針對1 ms、10 ms、0.5 s和1 s四個時間片，分別進行配置，包含任務指針、是否循環(huán)、任務開始的計數(shù)數(shù)值等內(nèi)容，配置完成后使四個時間片進入工作狀態(tài)。

AFE芯片初始化設計為：首先，MCU通過外部電路對AFE進行硬件喚醒，喚醒成功后再通過I2C與AFE通信。其次，MCU通過判斷系統(tǒng)RTC備份存儲器預先設置的標志位，將BQ769XX系列AFE芯片的初始化過程分為兩種：一是當標志位為1時，即為系統(tǒng)第一次上電情況，MCU從系統(tǒng)的FLASH片區(qū)讀取預置的默認參數(shù)，包括充放電單體電壓的報警及保護閾值、總電壓的報警及保護閾值、電流的報警及保護閾值，溫度的報警及保護閾值等，并保持充放電回路為開路狀態(tài)，置位等待第一次用戶配置的狀態(tài)位；二是當標志位為0時，即為系統(tǒng)休眠狀態(tài)喚醒，系統(tǒng)把休眠前備份的所有標定參數(shù)，包括報警及保護閾值寫入AFE中，并查看是否有保護狀態(tài)字被置位，若沒有，則打開充放電回路。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集程序

本設計需要采集的數(shù)據(jù)有兩大類：一類為AFE每250 ms更新一次的電池單體電壓、電池組總電壓、充放電電流、負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)數(shù)據(jù)；另一類為MCU內(nèi)置的ADC通過DMA方式采集到的NTC數(shù)據(jù)、電池總電壓通過高精度電阻進行分壓的數(shù)據(jù)。

設計中，系統(tǒng)在對AFE芯片初始化完成后，AFE芯片就以250 ms為周期進行數(shù)據(jù)采集，每次采集完成后通過Alert引腳向MCU發(fā)出中斷信號，MCU接收到該中斷信號后檢查報警類型，如果當前為數(shù)據(jù)讀取就緒狀態(tài)，則開始一次數(shù)據(jù)采集過程，并依次讀取所有AFE寄存器內(nèi)采集的數(shù)值并寫入指定數(shù)組中。

電池電流的采集實際上是對電流采樣電阻兩端電壓差值的讀取，然后再進行計算處理，AFE芯片的電流采樣是一個高精度的16 bit并帶有正負符號的ADC，其最小采樣電壓范圍為±8.44 μV，若電流采樣電阻為R，采樣到的十進制數(shù)據(jù)為N，則采樣的電流值設計為：I=N·8.44/R。

AFE芯片BQ769XX支持一定串數(shù)范圍的電池組，但對于不同串數(shù)的電池組其采集的通道并非連續(xù)，從而導致AFE芯片內(nèi)的電池串聯(lián)電壓的數(shù)據(jù)也非連續(xù)。故設計一個函數(shù)，實現(xiàn)在不同電池組串數(shù)的情況下，保持電壓采集數(shù)據(jù)數(shù)組的連續(xù)性，從而保證程序運行高效且節(jié)約存儲空間。

2.4.3 SOC與電池循環(huán)次數(shù)計算程序

SOC與電池循環(huán)次數(shù)計算的程序流程如圖4所示。本設計采用安時積分法結合溫度補償法[10-12]對SOC進行計算。設計中，通過自主學習獲得電池組實際容量，以確保其準確性。當系統(tǒng)第一次開機或強制進行自主學習時，通過對電池組進行一次完全的充放電循環(huán)，實現(xiàn)電池組的容量自主學習。該循環(huán)過程為：觸發(fā)電池組或單體電池欠壓保護，之后觸發(fā)電池組或單體電池的過壓保護，再次觸發(fā)電池組或單體電池的欠壓保護。

圖4 SOC與電池循環(huán)次數(shù)計算流程圖

鋰電池的性能隨著工作時間及次數(shù)的增加而逐漸下降[13]，對其進行實時的剩余壽命預測[14]，對提高小型電動物流車的可靠性具有重要意義。本設計通過計算電池充放電的循環(huán)次數(shù)，來預測電池的剩余壽命。需要注意的是，電池組容量自主學習完成之后，一次充放電循環(huán)過程定義為：當電池組電量低于10%時，通過充電達到80%以上，再通過放電回到10%以下。

2.4.4 報警及保護程序

(1)各種系統(tǒng)報警及保護狀態(tài)位的設置

各種系統(tǒng)報警及保護狀態(tài)位的設計對應程序狀態(tài)數(shù)組的各個數(shù)據(jù)位，在程序中以結構體結合共同體的形式體現(xiàn)，該數(shù)組各狀態(tài)位的設置處理程序位于1 ms時間片內(nèi)，以實現(xiàn)快速的設置處理。

在AFE數(shù)據(jù)采集完成或預設的報警閾值被觸發(fā)時，觸發(fā)AFE芯片BQ769XX的Alert變?yōu)楦唠娖?，并向MCU發(fā)出中斷信號，MCU收到中斷信號后，程序中的總故障位置位，從而使1 ms時間片內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)及AFE數(shù)據(jù)采集程序被激活。此時MCU通過I2C總線與AFE進行通信，讀取AFE轉換完成的各串電池的電壓數(shù)據(jù)并存入電池串臨時數(shù)組中，同時采集AFE的所有狀態(tài)寄存器并檢查、更新各種報警及保護狀態(tài)位。若任意保護或報警狀態(tài)發(fā)生，則總故障位都被置位為1，反之，則清零。

(2)系統(tǒng)各種狀態(tài)的邏輯處理

系統(tǒng)邏輯處理程序設計主要實現(xiàn)系統(tǒng)的報警及保護處理功能，其位于10 ms時間片內(nèi)。若狀態(tài)數(shù)組內(nèi)相應的位被置為1，則進入系統(tǒng)邏輯處理程序，而后檢查是否發(fā)生了置位，如果發(fā)生則按照報警及保護的優(yōu)先級逐個檢查，檢查過程中如果發(fā)生報警或保護，則立即進入相應的報警或保護處理程序，同時置位對應的報警及保護狀態(tài)位，并對聲光報警處理函數(shù)置位，實現(xiàn)聲光報警。檢查的優(yōu)先級由高到低設計為：短路、放電過電流、充電過電流、電池掉線、過電壓、欠壓、溫度保護及報警等。

各報警及保護發(fā)生后的處理程序不盡相同，但基本的處理過程設計為：先斷開充電或放電回路，置位記錄當前信息位，延時一段時間后，再次檢測置位狀態(tài)是否還存在，若存在則繼續(xù)進行報警或保護，若不存在則打開放電或充電回路，返回正常工作狀態(tài)。

2.5 接口層程序設計

接口層程序主要為通信處理程序。上位機與BMS通信主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和非實時性控制，因其通信過程頻繁，設定為正常監(jiān)測時每秒傳輸一次數(shù)據(jù)，使用半雙工UART和RS485，以小端方式傳輸，應答機制為：上位機發(fā)出詢問指令后，從機應答指令要求的內(nèi)容。

設計中，BMS與上位機通信采用的是RS485半雙工隔離模式[15]，其協(xié)議為狀態(tài)機方式的幀通信。設定BMS工作在從機狀態(tài)，當收到上位機發(fā)出的命令幀后，系統(tǒng)解析命令幀的命令，并根據(jù)命令類型及系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，組合成正確的數(shù)據(jù)幀或應答指令，再發(fā)送回上位機。

BMS與LCD觸控屏通信采用的是全雙工模式[16]。設計中，MCU每0.5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)至LCD觸控屏，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新，同時MCU的串口接收中斷，處于打開狀態(tài)，等待來自LCD屏的觸控操作命令幀。

BMS與手機端通信采用的是串口藍牙透傳方式，將其設計成與上位機通信相同的模式及幀結構。

3 試驗測試

所設計的軟件經(jīng)調(diào)試驗證完成后，下載到自制的BMS試驗樣機，在實驗室環(huán)境下，驗證BMS的性能。測試平臺采用3并15串16 Ah的磷酸鐵鋰電池組和100 V/50 A的電池測試柜，測試工具含高精度數(shù)字萬用表和鉗形交直流電流表。

測試過程：

(1)對所有單體電池的電壓模擬量、溫度模擬量、電流模擬量的采集功能進行測試。BMS電壓采集數(shù)據(jù)結果如表1所列。由表1可看出，電池單體電壓測量誤差在±10 mV以內(nèi)，滿足設計要求。

表1 BMS電壓采集數(shù)據(jù)表

(2)對SOC計算功能進行測試，所得數(shù)據(jù)如表2所示，誤差小于4%，滿足SOC計算精度要求。

表2 BMS荷電狀態(tài)測試數(shù)據(jù)(充電模式下BMS原始容量值為10.3 Ah)

(3)分別進行與上位機的通信功能測試、與手機App的通信功能測試、與觸控LCD屏的通信功能及驅動功能測試，以驗證其智能化?；赒t開發(fā)平臺的BMS上位機界面如圖5所示，可通過此界面設置相關參數(shù)，并監(jiān)測電池的各種狀態(tài)，滿足功能要求。

圖5 BMS上位機界面

(4)對回路的通斷能力測試，對過壓、欠壓、過流、短路及充放電過溫等情況下的報警及保護功能進行測試，均滿足設計要求。

4 結論

本文介紹了以STM32F072為主控芯片的BMS結構與功能，在此硬件平臺上，結合時間片輪詢法，設計了BMS軟件架構、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、SOC與電池循環(huán)次數(shù)計算程序、報警及保護程序、通信程序，并給出了部分程序流程圖。以3并15串16 Ah的磷酸鐵鋰電池組為測試對象進行測試，驗證了所設計的BMS的性能。由此，得到一種面向小型電動物流車的智能化BMS。其具有硬件成本低、軟件開發(fā)成本低且運行效率高的特點。