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电池特性测试系统概要设计
BMS(Battery Management System简称)电池管理系统能够实现电池状态监视、运行控制、绝缘监测、均衡管理、保护报警及通讯功能等，通过对电池状态的实时监测，保证系统的正常稳定安全运行；监测电池的一致性，通过均衡对电池进行在线式维护，保证电池成组的使用效率及寿命。
电池管理系统基础功能：电流、电压和温度采集、计算和校准、电芯均衡、热管理、系统运行状况分析、充/放电控制、故障诊断、报警和安全保护、数据通讯等。
电池特性检测系统是由电池包(PACK)、电池管理系统（BMS）、充放设备、DC12V供电电源、PC上位机、通信设备及外围辅助设备组成。其中PACK是系统测试研究的对象，BMS是整个系统的核心控制中枢一方面控制电池的充放电并时刻检测和保护电池以免发生过充过放引起火灾，同时负责记录充放电过程产的数据以便于学生分析电池特性。充放电设备是负责给电池充电或者放电，DC12V供电电源是负责给BMS系统供电；PC上位机是人机交互界面同时也是电池特性分析展示的窗口。
图一：系统框图
2.1.1 充放电设备：
此系统采用KS80V50A-1CH充放电一体柜，详细参数见下表一：
序号 | 规格型号 | KS80V10A-1CH |
1 | 输出通道数 | 1CH |
2 | 通讯方式 | 485(网口) |
3 | 充电电压 | DC 5～80V |
4 | 放电电压 | DC 80～5V |
5 | 充电电流 | DC 0.5～60A |
6 | 放电电流 | DC 0.5～50A |
7 | 电压精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
8 | 电流精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
9 | 电压分辨率 | 1mV |
10 | 电压稳定度 | ≤0.1% |
11 | 电流分辨率 | 1mA |
12 | 电流稳定度 | ≤0.1% |
13 | 功率输出范围 | 0.5～Pmax = Vmax * Imax |
14 | 输入阻抗 | ≧500 KΩ |
15 | 输入电源 | AC 380V/220V±10%/ 50Hz |
16 | 功率精度 | ±（0.05%RD+0.05%FS） |
17 | 电流响应时间 | 电流输出在60A 时硬件响应时间：≤50ms |
18 | 时间设定范围 | 0～9999 分钟内任意设置，时间单位分别为 h、min、s 任选，分辨率 1s |
19 | 时间分辨率 | 1s |
20 | 记录方式 | 充电记录时间、放电记录时间、静止记录时间、全局记录时间 |
21 | 记录频率 | 100mS～65535S |
22 | 充电模式 | 恒流充电、恒压充电、恒流恒压（CC/CV）、恒功率充电 |
23 | 充电截止条件 | 电压，电流，时间，容量 |
24 | 放电模式 | 恒流放电、恒压放电、恒功率放电 |
25 | 放电截止条件 | 电压，电流，时间，容量 |
26 | 保护功能 | 数据异常恢复； 电池反接保护功能； 软件过压、欠压、过流、欠流、过容量保护，电压电流保护值范围可设定，保护后可提示和记录； |
27 | 单循环工步数 | ≤100 步，具有嵌套循环功能 |
28 | 连续工作时间 | 设备的功率应满足所有通道能够满负荷、365*24 小时不间断运转 |
29 | 设备噪音 | 小于 72dB |
30 | 电路结构 | 模块化结构设计，便于替换和维修 |
32 | 重量 | 约30kg |
33 | 软件 | 1、软件支持各种续接，如手动暂停续接、软件关闭续接、断电中断续接、设备通信中断续接、异常停止续接； 2、支持条码扫描，可对一维码、二维码进行扫描，有顺序扫码、通道跳跃扫码、装盘扫码等扫码方式； 3、本地测试详细数据存储，可随时查看各通道当前测试数据及历史数据，有数据与曲线对应两种方式对应呈现，并且支持以单个或批量形式导出 EXCE 报表，另外可根据需要设置测试结束自动导数据。 4、支持容量分选，可对电池进行等级分选； 5、支持测试结束合格判断，根据循环容量、电压、时间等信息进行判断 Pass/NG 结果； 6、支持各种工步保护及全局电压、电流、温度异常保护,并进行异常报警； 7、支持单位转换； 8、支持数据库服务器后台存储或 MES 对接； 9、软件脱机保护； 10、软件提供免费升级。 |
34 | 工作/存储温度 | 0℃～40℃/-10℃～50℃ |
35 | 工作/存储环境相对湿度 | ≤70% RH /≤80% RH（没有水汽凝结） |
36 | 设备维护 | 非专业人士请勿拆开机箱。定期对设备接头进行检查，防止接触不良。 |
37 | 运输 | 包装适用与汽车、船、飞机、火车等运输，运输过程中应防雨，文明装卸。 |
表一
2.1.2 BMS系统介绍：
BMS采用主从一体式架构,预留13路DI输入口，预留7路DO输出口，预留2路CAN，预留1路485通信MCU采用GD32F427VET6芯片，主频可以达到144Mhz、支持浮点运算、12ADC等功能丰富强大;两路CAN通信分别和上位机、充放电设备通信；一路RS485通信可连接其他辅助设备；系统可以实现PACK端BAT端的电压检测，总线电流检测，PACK端的绝缘电阻检测，PACK端的反接电压检测。关键电气器件的温度检测。通过这些参数可以实现SOC的计算，各关键电气器件使用状况进行是否正常的判断。以下是系统参数表。
图二：BMS系统控制框图
BMS基本参数表
参数 Parameter | 描述 Description | 技术指标 Rating | 备注 Remarks | |||
Min. | Type. | Max. | Unit | |||
工作电压 | 工作电压范围 | 9 | 12/24 | 48 | V | |
工作电流 | 24V 下工作电流 | 100 | mA | |||
工作温度 | 系统工作温度范围 | -40 | 25 | 85 | ℃ | |
工作湿度 | 系统工作湿度范围 | 5% | 95% | RH | ||
CAN通信 | CAN1 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔离 |
CAN2 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔离 | |
RS485 通信 | RS48 速率 | 9600 | 19200 | 115200 | bps | 隔离 |
总电压采集 | 采集误差值≤±0.5%F.S | 0 | 1000 | V | ||
分流器电流 采集 | 采集误差值≤0.5%F.S，不含分流器自身误差 | -500 | 500 | A | 全量程 | |
误差值≤±0.5A，不含分流器自身误差 | -50 | 50 | A | 小量程 | ||
粘连检测 | 2 路总继电器粘连检测 | |||||
温度采集 | 10 路，-20~65℃范围，误差≤±1℃， 其它范围误差≤±2℃ | 40 | 125 | ℃ | ||
绝缘电阻采集 | 采集误差≤±20%F.S | 0.005 | 20 | MΩ | ||
误差≤±10KΩ | 5 | 50 | kΩ | |||
驱动控制 | 1路高边，6路低边，持续载流能力≥3A 2A/24V，瞬态载流能力≥5A@100ms | 典型值 12/24V | ||||
DO 输出 | 6路最大输出电流50mA | |||||
DI 检测 | 13路DIH高电平阈值 | 6 | 32 | V | ||
干接点控制 | 2路机械继电器，不可以带载切断，持续载流能力 | - | - | 2 | A | 30VDC/ 250VAC |
SOX 估算 | SOC 估算 | ±5 | % | |||
SOH 估算 | ±8 | % | ||||
SOE 估算 | ±8 | % | ||||
DCR 估算 | ±10 | % | ||||
数据存储 | 事件记录条数 | 12000 | 条 | |||
实时数据存储 | 1 | Year | ||||
绝缘性能 | 1000V/DC 下 | 10 | MΩ | |||
耐压性能 | ≥2U+1000V/DC | 3000 | V | |||
60s 漏电流 | - | - | 1 | mA | ||
报警等级说明
报警等级 | Action/相应动作 |
Level 1 failure/一级故障 | 播报报警代码 |
Level 2 failure/二级故障 | 播报报警代码 |
Level 3 failure/三级故障 | 播报报警代码,超时10s后下电 |
Item Definition/报警类别定义 | Trigger Threshold (V)/触发阈值 | Trigger Delay (s)/触发延时 | Release Threshold (V)/释放阈值 | Release Delay (s)/释放延时 | Condition/充、放电状态 |
CellHVoltAlarm1 | 4.16 | 3 | 4.14 | 5 | During charge/充电 |
CellHVoltAlarm2 | 4.17 | 3 | 4.16 | 5 | |
CellHVoltAlarm3 | 4.18 | 3 | / | / | |
TotalHVoltAlarm1 | 79.04（4.16） | 3 | 78.66（4.14） | 5 | |
TotalHVoltAlarm2 | 79.23（4.17） | 3 | 79.04（4.16） | 5 | |
TotalHVoltAlarm3 | 79.42（4.18） | 3 | / | 5 | |
CellLVoltAlarm1 | 2.95 | 3 | 3.30 | 5 | During discharge/放电 |
CellLVoltAlarm2 | 2.9 | 3 | 3.20 | 5 | |
CellLVoltAlarm3 | 2.85 | 3 | / | / | |
TotalLVoltAlarm1 | 56.05（2.95） | 3 | 62.7（3.30） | 5 | |
TotalLVoltAlarm2 | 55.1（2.85） | 3 | 60.8（3.20） | 5 | |
TotalLVoltAlarm3 | 54.15（2.70） | 3 | / | / |
Item Definition /报警类别定义 | Trigger Threshold (mV) /触发阈值 | Trigger Delay (s) /触发延时 | Release Threshold (mV) /释放阈值 | Release Time (s) /释放延时 | Condition/充、放电状态 |
HDiffVoltAlarm1 | 300 | 3 | 200 | 5 | Charge &Discharge 充放电 |
HDiffVoltAlarm2 | 400 | 3 | 300 | 5 | |
HDiffVoltAlarm3 | 500 | 3 | / | / |
Item Definition /报警类别定义 | Trigger Threshold (A) /触发阈值 | Trigger Delay (s) /触发延时 | Release Threshold (A) /释放阈值 | Release Time (s) /释放延时 | Condition/充、放电状态 |
ChgHCurrentAlarm1 | 15 | 5 | 10 | 5 | During charge 充电时 |
ChgHCurrentAlarm2 | 17 | 5 | 15 | 5 | |
ChgHCurrentAlarm3 | 20 | 5 | / | / | |
DischgHCurrentAlarm1 | 15 | 5 | 10 | 5 | During discharge 放电时 |
DischgHCurrentAlarm2 | 17 | 5 | 15 | 5 | |
DischgHCurrentAlarm3 | 20 | 5 | / | / |
Overcurrent protection valve：100A≤500uS
过流保护值：100A≤500uS
Item Definition /报警类别定义 | Trigger Threshold (°C) /触发阈值 | Trigger Delay(s) /触发延时 | Release Threshold (°C) /释放阈值 | Release Time (s) /释放延时 | Condition/充、放电状态 |
PackHTempAlarm1 | 52 | 3 | 45 | 10 | During charge 充电状态 |
PackHTempAlarm2 | 53 | 3 | 50 | 10 | |
PackHTempAlarm3 | 55 | 3 | / | / | |
PackLTempAlarm1 | 5 | 3 | 8 | 5 | |
PackLTempAlarm2 | 3 | 3 | 5 | 5 | |
PackLTempAlarm3 | 0 | 3 | 2 | 5 | |
PackLTempAlarm1 | -17 | 3 | -14 | 5 | During discharge 放电状态 |
PackLTempAlarm2 | -18 | 3 | -15 | 5 | |
PackLTempAlarm3 | -20 | 3 | -17 | 5 | |
PackHTempAlarm1 | 57 | 3 | 54 | 5 | |
PackHTempAlarm2 | 58 | 3 | 55 | 5 | |
PackHTempAlarm3 | 60 | 3 | / | / |
Item Definition /报警类别定义 | Trigger Threshold /触发阈值 | Trigger Delay (s) /触发延时 | Release Threshold /释放阈值 | Release Time (s) /释放延时 | Condition/充、放电状态 |
ISORAlarm1 | <500Ω/V | 30 | >=600 Ω/V | 30 | During charger &discharge 充放电状态 |
ISORAlarm2 | <200Ω/V | 30 | >=300 Ω/V | 30 | |
ISORAlarm3 | <100Ω/V | 6 | / | / |
当任何单体电芯Cx" (X=1 to 20)的电压高于VBLON，并且压差大于VBLDE1时，以电流IBL开启均衡功能，直到最大压差小于VBLDE2或者充电完成
ITEM Specification/条件说明: | ITEM Thresholds/阈值: | Conditions/状态: |
VBLON (Minimum voltage for cell)/单体最小电压 | 3.95V ± 25mV (per cell) | When charging/充电时 |
VBLDE1 (Minimum voltage deviation)/压差 | 50 mV | |
VBLDE2 (Minimum voltage deviation)/压差 | 20 mV | |
IBL (balancing current) /均衡电流 | 140 mA Max | |
Max balancing quantity at same time/同时刻最多均衡单体数量 | 10 series |
ITEM Specification/条件说明: | ITEM Thresholds/阈值: | Conditions/状态: |
IPD (Max Pre-Discharge current) /最大预放电流 | 3.9A | Before connecting the main power loop/主回路连接前 |
tPD (Max Pre-Discharge time)/最大预放时间 | 1500 ms | |
Pre-Discharge over time limit release /预放超限处理 | 上报预放失败故障，中止上电 Report the failure of Pre-Discharge and stop power |
ITEM Specification/条件说明: | ITEM Thresholds/阈值: | Conditions/状态: |
IBSC1 (BMS self-consumption current 1) /BMS功耗1 | 150uA Max | Sleep mode/ 休眠模式 |
IBSC2 (BMS self-consumption current 2) /BMS功耗2 | 50mA Max | Working mode 工作模式 |
为了提高代码的可维护性、可重用性、可测试性、减少代码间的耦合、兼容不同开发工具，将软件主要分为ASW,RTE和RSW三层。
ASW：实现任务调度、电芯数据处理、诊断、上下高压、绝缘、IO口控制等模块；在Matlab中的Simulink和Stateflow功能模块建模并生成代码，再把代码放入工程中。
RTE：实时运行环境，也就是连接应用层和底层的中间层，因为起了承上启下的作用所以采用了手写C代码的方式，可以灵活修改。RTE包括M_Interface.c、Protocol.c、Manage.c、Tool.c、Task.c。M_Interface.c中申明了ASW层的所有输入变量和调用的函数。Protocol.c中包了内部通信协议（主从通信、并包通信）和外部通信协议（BMS和EMS通信）。Manage.c中包括了存储的管理，比如GD32F4內部Flashde管理和W25Q外部存储的管理。Tool.c中包括了RTE的一些工具函数。Task.c管理了所有任务的调度，包括了ASW和BSW的任务。
BSW：驱动层，配置系统时钟，并配置每一个管脚的输入输出和通信功能，并封装各个模块，生成对RTE层的接口。供上层调用。
上位机功能界面显示：
1、通信配置界面、用户登录界面
2、实时数据显示及控制界面；显示信息有单体电芯电压、温度、总压、告警信息、状态信息等，控制界面有上下高压控制、充放电设置控制等
3、数据记录，数据写入和导出功能界面。数据记录包括记录实时运行数据到excel，写入数据有故障阈值，校准阈值等，导出数据包括历史故障、历史事件、历史运行参数等
