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產品型號：SD
更新時間：2024-11-18
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電池特性測試系統概要設計
BMS(Battery Management System簡稱)電池管理系統能夠實現電池狀態監視、運行控制、絕緣監測、均衡管理、保護報警及通訊功能等，通過對電池狀態的實時監測，保證系統的正常穩定安全運行；監測電池的一致性，通過均衡對電池進行在線式維護，保證電池成組的使用效率及壽命。
電池管理系統基礎功能：電流、電壓和溫度采集、計算和校準、電芯均衡、熱管理、系統運行狀況分析、充/放電控制、故障診斷、報警和安全保護、數據通訊等。
電池特性檢測系統是由電池包(PACK)、電池管理系統（BMS）、充放設備、DC12V供電電源、PC上位機、通信設備及外圍輔助設備組成。其中PACK是系統測試研究的對象，BMS是整個系統的核心控制中樞一方面控制電池的充放電并時刻檢測和保護電池以免發生過充過放引起火災，同時負責記錄充放電過程產的數據以便于學生分析電池特性。充放電設備是負責給電池充電或者放電，DC12V供電電源是負責給BMS系統供電；PC上位機是人機交互界面同時也是電池特性分析展示的窗口。
圖一：系統框圖
2.1.1 充放電設備：
此系統采用KS80V50A-1CH充放電一體柜，詳細參數見下表一：
序號 | 規格型號 | KS80V10A-1CH |
1 | 輸出通道數 | 1CH |
2 | 通訊方式 | 485(網口) |
3 | 充電電壓 | DC 5～80V |
4 | 放電電壓 | DC 80～5V |
5 | 充電電流 | DC 0.5～60A |
6 | 放電電流 | DC 0.5～50A |
7 | 電壓精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
8 | 電流精度 | ±（0.05%RD + 0.05%FS） |
9 | 電壓分辨率 | 1mV |
10 | 電壓穩定度 | ≤0.1% |
11 | 電流分辨率 | 1mA |
12 | 電流穩定度 | ≤0.1% |
13 | 功率輸出范圍 | 0.5～Pmax = Vmax * Imax |
14 | 輸入阻抗 | ≧500 KΩ |
15 | 輸入電源 | AC 380V/220V±10%/ 50Hz |
16 | 功率精度 | ±（0.05%RD+0.05%FS） |
17 | 電流響應時間 | 電流輸出在60A 時硬件響應時間：≤50ms |
18 | 時間設定范圍 | 0～9999 分鐘內任意設置，時間單位分別為 h、min、s 任選，分辨率 1s |
19 | 時間分辨率 | 1s |
20 | 記錄方式 | 充電記錄時間、放電記錄時間、靜止記錄時間、全局記錄時間 |
21 | 記錄頻率 | 100mS～65535S |
22 | 充電模式 | 恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓（CC/CV）、恒功率充電 |
23 | 充電截止條件 | 電壓，電流，時間，容量 |
24 | 放電模式 | 恒流放電、恒壓放電、恒功率放電 |
25 | 放電截止條件 | 電壓，電流，時間，容量 |
26 | 保護功能 | 數據異常恢復； 電池反接保護功能； 軟件過壓、欠壓、過流、欠流、過容量保護，電壓電流保護值范圍可設定，保護后可提示和記錄； |
27 | 單循環工步數 | ≤100 步，具有嵌套循環功能 |
28 | 連續工作時間 | 設備的功率應滿足所有通道能夠滿負荷、365*24 小時不間斷運轉 |
29 | 設備噪音 | 小于 72dB |
30 | 電路結構 | 模塊化結構設計，便于替換和維修 |
32 | 重量 | 約30kg |
33 | 軟件 | 1、軟件支持各種續接，如手動暫停續接、軟件關閉續接、斷電中斷續接、設備通信中斷續接、異常停止續接； 2、支持條碼掃描，可對一維碼、二維碼進行掃描，有順序掃碼、通道跳躍掃碼、裝盤掃碼等掃碼方式； 3、本地測試詳細數據存儲，可隨時查看各通道當前測試數據及歷史數據，有數據與曲線對應兩種方式對應呈現，并且支持以單個或批量形式導出 EXCE 報表，另外可根據需要設置測試結束自動導數據。 4、支持容量分選，可對電池進行等級分選； 5、支持測試結束合格判斷，根據循環容量、電壓、時間等信息進行判斷 Pass/NG 結果； 6、支持各種工步保護及全局電壓、電流、溫度異常保護,并進行異常報警； 7、支持單位轉換； 8、支持數據庫服務器后臺存儲或 MES 對接； 9、軟件脫機保護； 10、軟件提供免費升級。 |
34 | 工作/存儲溫度 | 0℃～40℃/-10℃～50℃ |
35 | 工作/存儲環境相對濕度 | ≤70% RH /≤80% RH（沒有水汽凝結） |
36 | 設備維護 | 非專業人士請勿拆開機箱。定期對設備接頭進行檢查，防止接觸不良。 |
37 | 運輸 | 包裝適用與汽車、船、飛機、火車等運輸，運輸過程中應防雨，文明裝卸。 |
表一
2.1.2 BMS系統介紹：
BMS采用主從一體式架構,預留13路DI輸入口，預留7路DO輸出口，預留2路CAN，預留1路485通信MCU采用GD32F427VET6芯片，主頻可以達到144Mhz、支持浮點運算、12ADC等功能豐富強大;兩路CAN通信分別和上位機、充放電設備通信；一路RS485通信可連接其他輔助設備；系統可以實現PACK端BAT端的電壓檢測，總線電流檢測，PACK端的絕緣電阻檢測，PACK端的反接電壓檢測。關鍵電氣器件的溫度檢測。通過這些參數可以實現SOC的計算，各關鍵電氣器件使用狀況進行是否正常的判斷。以下是系統參數表。
圖二：BMS系統控制框圖
BMS基本參數表
參數 Parameter | 描述 Description | 技術指標 Rating | 備注 Remarks | |||
Min. | Type. | Max. | Unit | |||
工作電壓 | 工作電壓范圍 | 9 | 12/24 | 48 | V | |
工作電流 | 24V 下工作電流 | 100 | mA | |||
工作溫度 | 系統工作溫度范圍 | -40 | 25 | 85 | ℃ | |
工作濕度 | 系統工作濕度范圍 | 5% | 95% | RH | ||
CAN通信 | CAN1 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔離 |
CAN2 速率 | 125 | 250 | 500 | Kbit/s | 隔離 | |
RS485 通信 | RS48 速率 | 9600 | 19200 | 115200 | bps | 隔離 |
總電壓采集 | 采集誤差值≤±0.5%F.S | 0 | 1000 | V | ||
分流器電流 采集 | 采集誤差值≤0.5%F.S，不含分流器自身誤差 | -500 | 500 | A | 全量程 | |
誤差值≤±0.5A，不含分流器自身誤差 | -50 | 50 | A | 小量程 | ||
粘連檢測 | 2 路總繼電器粘連檢測 | |||||
溫度采集 | 10 路，-20~65℃范圍，誤差≤±1℃， 其它范圍誤差≤±2℃ | 40 | 125 | ℃ | ||
絕緣電阻采集 | 采集誤差≤±20%F.S | 0.005 | 20 | MΩ | ||
誤差≤±10KΩ | 5 | 50 | kΩ | |||
驅動控制 | 1路高邊，6路低邊，持續載流能力≥3A 2A/24V，瞬態載流能力≥5A@100ms | 典型值 12/24V | ||||
DO 輸出 | 6路最大輸出電流50mA | |||||
DI 檢測 | 13路DIH高電平閾值 | 6 | 32 | V | ||
干接點控制 | 2路機械繼電器，不可以帶載切斷，持續載流能力 | - | - | 2 | A | 30VDC/ 250VAC |
SOX 估算 | SOC 估算 | ±5 | % | |||
SOH 估算 | ±8 | % | ||||
SOE 估算 | ±8 | % | ||||
DCR 估算 | ±10 | % | ||||
數據存儲 | 事件記錄條數 | 12000 | 條 | |||
實時數據存儲 | 1 | Year | ||||
絕緣性能 | 1000V/DC 下 | 10 | MΩ | |||
耐壓性能 | ≥2U+1000V/DC | 3000 | V | |||
60s 漏電流 | - | - | 1 | mA | ||
報警等級說明
報警等級 | Action/相應動作 |
Level 1 failure/一級故障 | 播報報警代碼 |
Level 2 failure/二級故障 | 播報報警代碼 |
Level 3 failure/三級故障 | 播報報警代碼,超時10s后下電 |
Item Definition/報警類別定義 | Trigger Threshold (V)/觸發閾值 | Trigger Delay (s)/觸發延時 | Release Threshold (V)/釋放閾值 | Release Delay (s)/釋放延時 | Condition/充、放電狀態 |
CellHVoltAlarm1 | 4.16 | 3 | 4.14 | 5 | During charge/充電 |
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/放電 |
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 /報警類別定義 | Trigger Threshold (mV) /觸發閾值 | Trigger Delay (s) /觸發延時 | Release Threshold (mV) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時 | Condition/充、放電狀態 |
HDiffVoltAlarm1 | 300 | 3 | 200 | 5 | Charge &Discharge 充放電 |
HDiffVoltAlarm2 | 400 | 3 | 300 | 5 | |
HDiffVoltAlarm3 | 500 | 3 | / | / |
Item Definition /報警類別定義 | Trigger Threshold (A) /觸發閾值 | Trigger Delay (s) /觸發延時 | Release Threshold (A) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時 | Condition/充、放電狀態 |
ChgHCurrentAlarm1 | 15 | 5 | 10 | 5 | During charge 充電時 |
ChgHCurrentAlarm2 | 17 | 5 | 15 | 5 | |
ChgHCurrentAlarm3 | 20 | 5 | / | / | |
DischgHCurrentAlarm1 | 15 | 5 | 10 | 5 | During discharge 放電時 |
DischgHCurrentAlarm2 | 17 | 5 | 15 | 5 | |
DischgHCurrentAlarm3 | 20 | 5 | / | / |
Overcurrent protection valve：100A≤500uS
過流保護值：100A≤500uS
Item Definition /報警類別定義 | Trigger Threshold (°C) /觸發閾值 | Trigger Delay(s) /觸發延時 | Release Threshold (°C) /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時 | Condition/充、放電狀態 |
PackHTempAlarm1 | 52 | 3 | 45 | 10 | During charge 充電狀態 |
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 放電狀態 |
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 /報警類別定義 | Trigger Threshold /觸發閾值 | Trigger Delay (s) /觸發延時 | Release Threshold /釋放閾值 | Release Time (s) /釋放延時 | Condition/充、放電狀態 |
ISORAlarm1 | <500?/V | 30 | >=600 ?/V | 30 | During charger &discharge 充放電狀態 |
ISORAlarm2 | <200?/V | 30 | >=300 ?/V | 30 | |
ISORAlarm3 | <100?/V | 6 | / | / |
當任何單體電芯Cx" (X=1 to 20)的電壓高于VBLON，并且壓差大于VBLDE1時，以電流IBL開啟均衡功能，直到最大壓差小于VBLDE2或者充電完成
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態: |
VBLON (Minimum voltage for cell)/單體最小電壓 | 3.95V ± 25mV (per cell) | When charging/充電時 |
VBLDE1 (Minimum voltage deviation)/壓差 | 50 mV | |
VBLDE2 (Minimum voltage deviation)/壓差 | 20 mV | |
IBL (balancing current) /均衡電流 | 140 mA Max | |
Max balancing quantity at same time/同時刻最多均衡單體數量 | 10 series |
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態: |
IPD (Max Pre-Discharge current) /最大預放電流 | 3.9A | Before connecting the main power loop/主回路連接前 |
tPD (Max Pre-Discharge time)/最大預放時間 | 1500 ms | |
Pre-Discharge over time limit release /預放超限處理 | 上報預放失敗故障，中止上電 Report the failure of Pre-Discharge and stop power |
ITEM Specification/條件說明: | ITEM Thresholds/閾值: | Conditions/狀態: |
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 |
為了提高代碼的可維護性、可重用性、可測試性、減少代碼間的耦合、兼容不同開發工具，將軟件主要分為ASW,RTE和RSW三層。
ASW：實現任務調度、電芯數據處理、診斷、上下高壓、絕緣、IO口控制等模塊；在Matlab中的Simulink和Stateflow功能模塊建模并生成代碼，再把代碼放入工程中。
RTE：實時運行環境，也就是連接應用層和底層的中間層，因為起了承上啟下的作用所以采用了手寫C代碼的方式，可以靈活修改。RTE包括M_Interface.c、Protocol.c、Manage.c、Tool.c、Task.c。M_Interface.c中申明了ASW層的所有輸入變量和調用的函數。Protocol.c中包了內部通信協議（主從通信、并包通信）和外部通信協議（BMS和EMS通信）。Manage.c中包括了存儲的管理，比如GD32F4內部Flashde管理和W25Q外部存儲的管理。Tool.c中包括了RTE的一些工具函數。Task.c管理了所有任務的調度，包括了ASW和BSW的任務。
BSW：驅動層，配置系統時鐘，并配置每一個管腳的輸入輸出和通信功能，并封裝各個模塊，生成對RTE層的接口。供上層調用。
上位機功能界面顯示：
1、通信配置界面、用戶登錄界面
2、實時數據顯示及控制界面；顯示信息有單體電芯電壓、溫度、總壓、告警信息、狀態信息等，控制界面有上下高壓控制、充放電設置控制等
3、數據記錄，數據寫入和導出功能界面。數據記錄包括記錄實時運行數據到excel，寫入數據有故障閾值，校準閾值等，導出數據包括歷史故障、歷史事件、歷史運行參數等
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