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高效提升电池寿命和安全性 | 基于ACM32 MCU的BMS应用方案


电池管理系统（BMS）通过监控电池的状态，智能化管理及维护各个电池单元，从而防止电池出现过充电和过放电。优质的电池管理系统能够最大限度地延长电池整体使用寿命，有效保障设备安全。


BMS电池管理概述


BMS，即电池管理系统（Battery Management System），随着锂电池的广泛应用，BMS作为锂电池的“保姆”也越来越被大众所关注。相较于传统电池，锂电池具有更好的能力密度，更高的工作电压，更低的放电率。但锂电池在面对过充、过放等问题时，相对脆弱。由于锂电池组在生产制造和使用过程中存在的差异性，会导致电池单体之间天然就存在着不一致性。这种不一致性主要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致，会进一步导致过充、过放等问题，进而造成电池寿命下降甚至死亡或损坏。



图1 | 容量不一致时充放电过程示意图


如图1所示，由于电池单体的差异，在充电时，低容量电池充电已饱和，而较大容量的电池电量未满，此时对于小容量单体来说，则处于过充状态。相反，放电时，较大容量的电池仍然处于放电状态，而小容量电池电量已空。有研究表明，单体电芯20%的容量差异，会带来超过40%的容量损失。


而BMS模块则是为避免该问题的出现而存在。BMS会实时监测单体的容量，并采用电池均衡手段来保证电池的正常工作。将不同容量的单体比作体积不同的水桶，而电池的电量好比是水桶中存留的水。充放电时，BMS会将快满的“水桶”里面的“水”转移到较空的“水桶”中，以此来保证整体电池电量的均衡，避免出现过充和过放的问题。如图2所示。



图2 | BMS电池均衡示意图


上海航芯BMS应用方案


上海航芯推出的BMS应用方案，采用ACM32F403/ACM32G103系列MCU作为主控芯片，最高工作频率可达180MHz/120MHz，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM，满足一般BMS算法库的需求。内置2Msps/3Msps采样率12位ADC，实现对电芯电压、电流、温度等信号的高频采样。具有USB/UART/CAN/SPI等多种通讯接口，足以应对大多数应用场合（如需要485通信的两轮电动车，需要CAN接口的新能源汽车等）。基于ACM32F403/ACM32G103的BMS方案结构示意图如下图所示：



图3 | BMS系统框图


ACM32F4/ACM32G1主控芯片，通过ADC对敏感信号进行采样，并依照BMS算法库计算得到当前电池的SOC、SOH等数据，执行均衡以及热管理控制，保证电池处于正常的工作状态。当出现问题时，支持在线警报同时给出LED指示信号。整个系统的运行参数可以通过CAN/USB/UART等接口进行上报。