电池管理系统BMS控制器拆解分析

　　随着新能源汽车的发展，短途出行和城市出行的方式让A00级纯电动车的普及率越来越高，这一期拆解A00级纯电动车电压平台的BMS，了解下BMS硬件设计的一些知识，硬件电路分析的主要分为三个部分：总体架构、低压区、高压区，如果有技术分析的问题，请大家指出，感谢。
　　一、总体架构
　　根据硬件设计的架构，将功能框图画出来，分为低压区，高压区。低压区包括单片机最小电路系统、CAN通信、电源电路、温度采集、存储等。高压区主要包括单体电压、均衡电路、总电压采集、总电流采集、绝缘检测等。
　　高低压电源与通信隔离
　　BMS的高压电路与低压电路之间需要进行数据通信，需要将高压电路中采集到的电压、温度信号传到MCU进行逻辑策略的处理，而MCU需要将均衡的控制信号进行传递到AFE芯片，由于高压侧的通信环境存在浪涌、脉冲等干扰信号，为保证正常通信，这就需要使用通信隔离芯片，与此同时，通信隔离芯片需要供电，因此，供电需要隔离，由于高压侧的电压高达几百伏，为保障蓄电池低压侧的安全及人身安全，会用隔离DC-DC隔开高压和低压侧。
　　通过隔离变压器650J7N3实现高低压之间通信的隔离，高压端的AFE供电从电池侧取电，低压侧的电源通过KL30、KL15的提供。AFE芯片MAX17823B通过隔离变压器与通信桥接芯片MAX17841B，以及与MCU MC9512XEP100MAG相连接的架构图。 MAX17823B负责电压、电流、温度等物理量的采集，均衡功能的执行； MAX17841B负责连接MAX17823B与MCU之间的高速通讯，之间通过高达2M的脉冲通信，TXP/TXL二者之间采用差分信号传输数据；MCU MC9512XEP100MAG负责发送指令及与整车各控制器进行CAN通讯。
　　二、低压区
　　首先对低压电路也就是控制器左边的电路部分进行分析，主要包括最小电路系统、电源电路、驱动电路、实时时钟电路、休眠唤醒电路、通信电路、看门狗电路。
　　1、最小电路系统
　　主控芯片采用的是MC9S12XEP100MAG，是NXP公司生产的车规级主控芯片，工作频率50MHz，芯片外设支持LVD，POR，PWM，WDT，程序存储器容量：1MB（1M x 8）EEPROM 大小：4K x 8。RAM 容量：64K x 8。电压- 电源(VCC/VDD)：1.72 V ~ 5.5 V数据转换器：A/D 24x12b工作温度：-40°C ~ 125°C。与外界通信：8个异步串行通信接口（SCI）、3个串行外设接口（SPI）、8通道IC/OC增强捕获定时器（ECT）、2个16通道12位模数转换器、8通道脉宽调制器（PWM）、5个CAN 2A/B、两个IC间总线块（IIC）、8通道24位周期中断定时器（PIT）和8通道16位标准定时器模块。
　　2、低压侧电源系统
　　电源部分电路使用了英飞凌的DCDC电源芯片TLE8366EV50，输出5VDC，输入范围比较宽达到最高45V。12V进入控制器端口，经过了共模电感的滤波，以及防反接设计，通过LC电路进行滤波进入TLE8366EV50，输出的5V固定的电压，同时进行了LC电路进行滤波，并通过LDO芯片将5V电压将为3.3V，给其它芯片进行供电。
　　3、继电器驱动电路
　　继电器驱动电路使用了英飞凌的高边驱动芯片，芯片型号为BTS724G，通过主芯片MC9512XEP100MAG产生的PWM波信号驱动BTS724G高边驱动芯片。主要是驱动主正、主负、预充继电器等。
　　4、休眠唤醒电路
　　休眠唤醒的方式有2种，通过硬线KL15唤醒，以及通过CAN总线唤醒。但是CAN芯片TJA1051不支持可总线唤醒的待机模式。如果想学习CAN网络唤醒的知识，请看之前的文章《车载控制器CAN唤醒及休眠机制》。该方案中，通过LK30、KL15给TLE8366EV50电源芯片供电，然后给CAN芯片的EN引脚供电，S引脚拉低时，使得CAN收发器进入正常工作状态，当EN引脚供电，S引脚拉高时，进入低功耗模式，也就是省电模式。
　　5、CAN通信电路
　　BMS控制器与外界进行通信主要是通过CAN总线的形式，总共有3路CAN，一路内部CAN TJA1145，未进行隔离处理，另外2路CAN分别为整车NXP公司生产的CAN TJA1051和充电CAN TJA1051，通过隔离芯片ADUM5000W将RX/TX进行了隔离。CAN电路中通过共模电感消除共模干扰，并串联68Ω的终端电阻，防止信号的反射。由于汽车CAN通信环境存在浪涌、脉冲等干扰信号。为了保证BMS能够与电动汽车进行实时通信，通信前端做CAN隔离处理。
　　6、存储电路
　　存储芯片分为EEPROM存储芯片以及Flash存储芯片。EERPOM使用的芯片型号为ATMLP73464，容量为64k，与单片机通信的方式是IIC总线，主要作用是周期信的存储单体电压、单体温度、总电压、总电流以及SOC值等值，例如BMS上电时对EEPROM存储进行校验和SOC值进行计算，当EEPROM存储正常且静置时间长，需要从EEPROM中读取SOC值，当当EEPROM存储异常或者静置时间短，通过开路电压法查表得到SOC值 。
　　Flash使用的芯片型号为IS25LP064，存储容量：64MB,电压-供电：2.7V ~ 3.6V,工作温度：-40°C ~ 125°C，支持SPI与MCU进行通信存储数据。Flash可用来存储运行数据以及故障信息等，MCU将BMS实时运行的电池单体电压、单体温度、单体soc、单体soh等数据以及故障信息以数据包为单位的形式写入到flash芯片中。
　　7、实时时钟电路
　　RTC芯片的型号为SD2405API， SD2405AP是一种内置晶振、充电电池、具有标准IIC接口的实时时钟芯片, 通过IIC与MCU进行通信。CPU可使用该接口通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据。工作电压为3.6-5.5V。
　　8 看门狗硬件设计
　　硬件看门狗芯片能够监视电源电压，为MCU提供电压跌落的提前告知功能。当发现电压需要跌落到复位前，MCU可以执行数据保存到EEPROM中、发送警报到仪表、切换冗余电源供电等操作。
　　三、高压区
　　首先对低压电路也就是控制器右边的电路部分进行分析，主要包括电芯单体电压采集、电芯单体温度采集、总电流采集、总电压采集、绝缘电阻检测、电池均衡电路。
　　MAX17823B是用于管理高压电池模块的数据采集系统，该系统具有12位SAR ADC，可在161μs内测量12个电池电压和两个温度，使用Maxim的电池管理UART协议进行可靠的通信，电池测量的典型精度为2mV（3.6V电池，25°C），系统有热过载自保护功能。工作电压从9V到65V，12个电池平衡开关，每个开关最高150mA。
　　1、电芯单体电压采集
　　2、电芯单体温度采集
　　通过NTC与固定电阻进行分压的方式，给到单片机进行采集的方式实现，方案中放在了低压区。
　　3、总电流采集
　　通过shunt分压器进行总电流的采集，通过ADUM5401W SPI隔离芯片，单片机控制SPI通过隔离芯片读取高压侧ADC芯片采样值，计算出总电流的大小。
　　4、总电压采集
　　总电压的采集方案中，总电压采样是通过ADC芯片进行采样的，ADC放在高压侧，低压侧的单片机控制SPI通过隔离芯片读取高压侧ADC芯片采样值。方案中由于ADC处于高压区，不能直接共电源，因此需要通过电源隔离，同时避免通信的EMC，通信也需要隔离。使用ADUM5401W SPI隔离芯片，能够提供电源隔离以及SPI通信隔离。
　　5、绝缘电阻检测
　　绝缘检测通过双通道高精度运算放大器INA21260以及光耦继电器V258HC8进行检测，AD应该是通过MCU的AD通道进行采样的，从而反算出绝缘电阻。
　　电路中的电阻均为已知，需要测量的是正极对壳体绝缘电阻 Rp、负极对壳体的绝缘电阻Rn，以及电池的总电压 SumVBatt。
　　6、电池均衡电路
　　均衡电阻为4个100Ω并联，等效为25Ω。原理是电池2端加一个电阻，通过MOS管进行开关这条路径，当电池电压不平衡的时候，会开启均衡对电池进行放电，均衡电流最大设计为几百毫安，根据需要均衡的压差计算均衡时间。