一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：BMS；無(wú)線管理系統(tǒng)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線通信技術(shù)

目前市面上的新能源汽車(chē)主要采用鋰電池來(lái)提供動(dòng)力。電池Pack作為新能源汽車(chē)的核心組成部分，動(dòng)力電池成本占到整車(chē)成本的三分之一以上，也是決定汽車(chē)性能的核心因素。同時(shí)，在二手車(chē)市場(chǎng)方面，電池健康度是新能源汽車(chē)的殘值評(píng)估的重要標(biāo)準(zhǔn)，而鋰離子電池會(huì)不斷損耗的材料特性，也決定了BMS （電池管理系統(tǒng)）的重要性。BMS是連接電池與用戶(hù)之間的紐帶。

BMS主要作用是通過(guò)測(cè)量電壓、電流、溫度等參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)信息[1]，分析電池安全性能、優(yōu)化電池能量控制和延長(zhǎng)電池使用壽命等。目前有線BMS架構(gòu)采用基于菊花鏈配置的線束來(lái)連接電池組，整體占用空間大，制造工藝煩瑣，難以滿(mǎn)足電池持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，且維修難度高[2]。

1 研究背景

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)、管理電池充放電、提高電池使用效率以及延長(zhǎng)電池的使用壽命。該系統(tǒng)具有復(fù)雜的軟硬件，包括傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。它通過(guò)遍布電池包的傳感器獲取電芯的各種狀態(tài)信息，并將這些狀態(tài)信息傳遞給控制器?？刂破鬟M(jìn)行決策后，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理，使電池的狀態(tài)處于適宜的工作環(huán)境和安全環(huán)境當(dāng)中。

目前電池管理系統(tǒng)各個(gè)模塊的連接一般采用線束和連接器的方式實(shí)現(xiàn)，布線復(fù)雜、重量較大，使得電池組的體積和重量進(jìn)一步增加。同時(shí)，連接器的可靠性和使用壽命都對(duì)電池組的正常和安全工作有著很大的影響。

Zigbee技術(shù)主要用于傳輸速率低、功耗不高且距離較短的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，它在典型的低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和周期性數(shù)據(jù)之間的傳輸也應(yīng)用廣泛。作為一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，Zigbee技術(shù)為用戶(hù)提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。采用ZigBee無(wú)線技術(shù)的電池管理系統(tǒng)，替代通過(guò)電纜和連接器工作的傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)，可以解決上述問(wèn)題，對(duì)于減輕電池組的體積和重量、增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性都有著重要意義。

2 研究?jī)?nèi)容

本文提供了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠采用無(wú)線通信的方式降低電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度、體積和重量，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)從上到下可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問(wèn)控制層以及物理層。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最下面的兩層直接按照IEEE802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行定義[3]。

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的Battery Management Sys?tem的主要功能有：

1） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。采用適當(dāng)?shù)乃惴?，為?shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控監(jiān)測(cè)電池的外特性參數(shù)，比如電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度參數(shù)等。

2） 在正確獲取電池的電壓參數(shù)、電流參數(shù)、溫度參數(shù)等狀態(tài)后，對(duì)電池進(jìn)行熱管理、均衡管理、充放電管理以及故障報(bào)警等操作。

3） 通過(guò)Controller Area Network 總線導(dǎo)線、控制器、收發(fā)器和終端電阻向顯示系統(tǒng)、總控制器和充電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4） 通過(guò)無(wú)線通信模塊，與同ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的采集均衡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

該系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)和采集均衡節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

1） 電池管理系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)由電池管理系統(tǒng)主控模塊和基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信模塊組成。

2） 采集均衡節(jié)點(diǎn)由采集均衡模塊和基于ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信模塊組成。

電池管理系統(tǒng)主控模塊主要包括一塊采集板，采集板上包含次級(jí)主控、AFE芯片、電壓采集、均衡模塊、溫度探頭和其他控制模塊幾個(gè)部分，可以用來(lái)測(cè)量總電流、控制繼電器（接觸器）、檢測(cè)總電壓與絕緣性，如圖2所示。

電池管理系統(tǒng)主控模塊主要負(fù)責(zé)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收采集均衡模塊采集到的溫度、電壓、電流等信息，進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)、發(fā)送、發(fā)出指令。

采集均衡模塊主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、絕緣采集模塊等，如圖3所示。

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電池管理系統(tǒng)各部分模塊的主要作用如下：

1） 電壓采集模塊。在本模塊中，每個(gè)單體電池包的電壓數(shù)據(jù)都會(huì)被監(jiān)測(cè)。因?yàn)殡姵亟M在進(jìn)行充放電的過(guò)程會(huì)影響到整個(gè)電池組的電壓不斷變化，所以每個(gè)單體電池包之間的電壓的一致性就會(huì)大大影響整個(gè)電池組的性能。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用專(zhuān)用的電壓采集芯片逐個(gè)對(duì)每個(gè)單體電池包的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，就會(huì)獲得整組電池的電壓，從而會(huì)在過(guò)壓或欠壓的情況下啟動(dòng)電路保護(hù)功能[4]。

2） 電流采集模塊。采用全范圍等精度比較高的分流器檢測(cè)整個(gè)電池組的總電流，以達(dá)到保證電流采集高精度的目的，從而為計(jì)算電池容量提供數(shù)據(jù)支持[5]。

3） 溫度采集模塊。整個(gè)電池組的溫度作為影響整個(gè)電池組性能的重要參數(shù)之一，它的數(shù)據(jù)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)不同程度地破壞整個(gè)電池組，而且這種破壞不能夠被逆轉(zhuǎn)。為解決以上問(wèn)題，可以采用數(shù)字式溫度傳感器，把每個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)線、地線以及電源線進(jìn)行合并，再通過(guò)使用一根數(shù)據(jù)總線來(lái)進(jìn)行通信。通信的結(jié)果可以監(jiān)控目前整個(gè)電池組所在的環(huán)境的溫度，從而為Battery Management System 的主控模塊決策提供依據(jù)，選擇是否啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱等。

4） 絕緣采集模塊。監(jiān)控整車(chē)用電安全，以免造成用電事故。

3 具體實(shí)施方式

ZigBee無(wú)線通信模塊（Zigbee節(jié)點(diǎn)）通過(guò)ZigBee協(xié)議組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。模塊采用CC2620F128無(wú)線微控制器，CC2620F128具有極低功耗模式流耗，可以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。CC2620 器件為32 位ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有極其豐富的外部設(shè)備功能集，其中包括一個(gè)獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器，這個(gè)獨(dú)特的低功耗傳感器控制器非常適合連接外部傳感器。不僅如此，在基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的BMS系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式的情況下，它還適用于自主收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這個(gè)特點(diǎn)也使它非常適合在能源采集型應(yīng)用中使用以及應(yīng)用于小型紐扣電池的供電系統(tǒng)中。

由于Zigbee節(jié)點(diǎn)對(duì)較大數(shù)據(jù)包的延遲較小，因此它可以封裝較高層的幀頭和命令，同時(shí)提供良好的性能，它可以與單播和廣播結(jié)合使用以提高可靠性。在采集節(jié)點(diǎn)中：

1） 電池單體電壓、電流采集。采集均衡節(jié)點(diǎn)的主控芯片通過(guò)高精度ADC轉(zhuǎn)換器獲取電池單體的電壓和電流信息。

2） 均衡模塊。均衡模塊主要由開(kāi)關(guān)和消耗電阻組成。電池與電池之間都存在一致性差異，BMS均衡模塊主要通過(guò)參考電池組的電壓、電流等數(shù)據(jù)，確定是否通過(guò)開(kāi)關(guān)和消耗電阻來(lái)消除電池使用過(guò)程中日積月累產(chǎn)生的能量失衡，保證其能量平衡。

3） 溫度采集。通過(guò)在電池外部的貼片熱敏電阻和線束接線處的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。如果電池溫度升高就容易出現(xiàn)燃燒、爆炸等危險(xiǎn)，一般來(lái)說(shuō)電池溫度升高的原因一是電池內(nèi)阻，二是外部接線柱與線束接線鼻之間的接觸電阻。電池在使用后不斷老化過(guò)程中，內(nèi)阻會(huì)升高，同時(shí)如果接線柱連接不夠牢固，接觸電阻也容易變大，在大電流放電情況下，會(huì)釋放大量的熱量。所以，溫度測(cè)量對(duì)于電池監(jiān)測(cè)非常必要，可以在電池溫度達(dá)到一定程度時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并通過(guò)采集板中的其他控制模塊實(shí)施一定的安全策略。

在次級(jí)主控模塊中不僅包含上述采集節(jié)點(diǎn)，也包含：

1） 電壓、電流采集。次級(jí)主控模塊的主控芯片通過(guò)高精度ADC轉(zhuǎn)換器獲取電池組的電壓和電流信息，通過(guò)采集模塊采集電池單體的相關(guān)信息。

2） 絕緣采集。絕緣采集主要通過(guò)高精度ADC轉(zhuǎn)換器測(cè)量直流母線與電底盤(pán)之間的電壓，計(jì)算得到系統(tǒng)的絕緣電阻值。

3） 其他控制模塊。其他控制模塊主要包含繼電器、風(fēng)扇等，用于在接收到電池管理系統(tǒng)主控的控制命令時(shí)執(zhí)行命令動(dòng)作及安全保護(hù)策略。

4） 無(wú)線通信模塊。無(wú)線通信模塊采用CC2620F128模塊，通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)和通信。次級(jí)主控將采集到各類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線ZigBee通信模塊以無(wú)線的方式發(fā)送到包含ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電池管理系統(tǒng)主控模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中，采集板負(fù)責(zé)采集電池單體的電壓、電流、溫度信息，并執(zhí)行命令動(dòng)作和安全保護(hù)策略，它屬于次級(jí)主控的一部分。次級(jí)主控主要功能是獲取電池組的電壓、電流、溫度信息，并將這些信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至電池管理系統(tǒng)主控模塊。以上設(shè)計(jì)不僅確保了電池組的安全運(yùn)行、健康檢測(cè)、狀態(tài)估計(jì)等功能，還通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)替代了傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)主控與次級(jí)主控間通過(guò)CAN總線通信的方式，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度、布線復(fù)雜度，以及電池組的整體重量，從而顯著提升了電池系統(tǒng)的性能。