一种基于ZigBee无线网络的电池管理系统的设计

关键词：BMS；无线管理系统；ZigBee网络；无线通信技术

目前市面上的新能源汽车主要采用锂电池来提供动力。电池Pack作为新能源汽车的核心组成部分，动力电池成本占到整车成本的三分之一以上，也是决定汽车性能的核心因素。同时，在二手车市场方面，电池健康度是新能源汽车的残值评估的重要标准，而锂离子电池会不断损耗的材料特性，也决定了BMS （电池管理系统）的重要性。BMS是连接电池与用户之间的纽带。

BMS主要作用是通过测量电压、电流、温度等参数来实时监控电池状态信息[1]，分析电池安全性能、优化电池能量控制和延长电池使用寿命等。目前有线BMS架构采用基于菊花链配置的线束来连接电池组，整体占用空间大，制造工艺烦琐，难以满足电池持续实时监测的需求，且维修难度高[2]。

1 研究背景

电池管理系统能够实时监测电池状态、管理电池充放电、提高电池使用效率以及延长电池的使用寿命。该系统具有复杂的软硬件，包括传感器、控制器、执行机构等。它通过遍布电池包的传感器获取电芯的各种状态信息，并将这些状态信息传递给控制器。控制器进行决策后，通过执行机构进行调节和处理，使电池的状态处于适宜的工作环境和安全环境当中。

目前电池管理系统各个模块的连接一般采用线束和连接器的方式实现，布线复杂、重量较大，使得电池组的体积和重量进一步增加。同时，连接器的可靠性和使用寿命都对电池组的正常和安全工作有着很大的影响。

Zigbee技术主要用于传输速率低、功耗不高且距离较短的各种电子设备之间进行数据传输。此外，它在典型的低反应时间数据、间歇性数据和周期性数据之间的传输也应用广泛。作为一种物联网无线数据终端，Zigbee技术为用户提供无线数据传输功能。采用ZigBee无线技术的电池管理系统，替代通过电缆和连接器工作的传统电池管理系统，可以解决上述问题，对于减轻电池组的体积和重量、增强系统的可靠性都有着重要意义。

2 研究内容

本文提供了一种基于ZigBee无线网络的电池管理系统的设计方案，能够采用无线通信的方式降低电池管理系统的复杂度、体积和重量，增强系统的可靠性和稳定性。

ZigBee网络的结构从上到下可以分为应用层、网络层、媒体访问控制层以及物理层。其中，ZigBee网络的最下面的两层直接按照IEEE802.15.4的标准去进行定义[3]。

基于ZigBee无线网络的Battery Management Sys⁃tem的主要功能有：

1） 实时监测电池状态。采用适当的算法，为实现电池内部状态（如容量和SOC等）的估算和监控监测电池的外特性参数，比如电压参数、电流参数、温度参数等。

2） 在正确获取电池的电压参数、电流参数、温度参数等状态后，对电池进行热管理、均衡管理、充放电管理以及故障报警等操作。

3） 通过Controller Area Network 总线导线、控制器、收发器和终端电阻向显示系统、总控制器和充电机等实现数据交换。

4） 通过无线通信模块，与同ZigBee无线网络中的采集均衡节点进行数据交换。

该系统主要包括电池管理系统主控节点和采集均衡节点，如图1所示。

1） 电池管理系统主控节点由电池管理系统主控模块和基于ZigBee无线网络的无线通信模块组成。

2） 采集均衡节点由采集均衡模块和基于ZigBee 无线网络的通信模块组成。

电池管理系统主控模块主要包括一块采集板，采集板上包含次级主控、AFE芯片、电压采集、均衡模块、温度探头和其他控制模块几个部分，可以用来测量总电流、控制继电器（接触器）、检测总电压与绝缘性，如图2所示。

电池管理系统主控模块主要负责通过无线网络接收采集均衡模块采集到的温度、电压、电流等信息，进行分析处理、存储、发送、发出指令。

采集均衡模块主要包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、绝缘采集模块等，如图3所示。

基于ZigBee无线网络的电池管理系统各部分模块的主要作用如下：

1） 电压采集模块。在本模块中，每个单体电池包的电压数据都会被监测。因为电池组在进行充放电的过程会影响到整个电池组的电压不断变化，所以每个单体电池包之间的电压的一致性就会大大影响整个电池组的性能。为解决这个问题，可以采用专用的电压采集芯片逐个对每个单体电池包的电压进行模数转换，就会获得整组电池的电压，从而会在过压或欠压的情况下启动电路保护功能[4]。

2） 电流采集模块。采用全范围等精度比较高的分流器检测整个电池组的总电流，以达到保证电流采集高精度的目的，从而为计算电池容量提供数据支持[5]。

3） 温度采集模块。整个电池组的温度作为影响整个电池组性能的重要参数之一，它的数据过高或过低都会不同程度地破坏整个电池组，而且这种破坏不能够被逆转。为解决以上问题，可以采用数字式温度传感器，把每个温度传感器的数据线、地线以及电源线进行合并，再通过使用一根数据总线来进行通信。通信的结果可以监控目前整个电池组所在的环境的温度，从而为Battery Management System 的主控模块决策提供依据，选择是否启动风扇或加热等。

4） 绝缘采集模块。监控整车用电安全，以免造成用电事故。

3 具体实施方式

ZigBee无线通信模块（Zigbee节点）通过ZigBee协议组建ZigBee无线网络。模块采用CC2620F128无线微控制器，CC2620F128具有极低功耗模式流耗，可以有效延长电池的使用寿命。CC2620 器件为32 位ARM Cortex-M3内核，具有极其丰富的外部设备功能集，其中包括一个独特的超低功耗传感器控制器，这个独特的低功耗传感器控制器非常适合连接外部传感器。不仅如此，在基于ZigBee无线网络的BMS系统其余部分处于睡眠模式的情况下，它还适用于自主收集模拟和数字数据。这个特点也使它非常适合在能源采集型应用中使用以及应用于小型纽扣电池的供电系统中。

由于Zigbee节点对较大数据包的延迟较小，因此它可以封装较高层的帧头和命令，同时提供良好的性能，它可以与单播和广播结合使用以提高可靠性。在采集节点中：

1） 电池单体电压、电流采集。采集均衡节点的主控芯片通过高精度ADC转换器获取电池单体的电压和电流信息。

2） 均衡模块。均衡模块主要由开关和消耗电阻组成。电池与电池之间都存在一致性差异，BMS均衡模块主要通过参考电池组的电压、电流等数据，确定是否通过开关和消耗电阻来消除电池使用过程中日积月累产生的能量失衡，保证其能量平衡。

3） 温度采集。通过在电池外部的贴片热敏电阻和线束接线处的热敏电阻实现温度测量。如果电池温度升高就容易出现燃烧、爆炸等危险，一般来说电池温度升高的原因一是电池内阻，二是外部接线柱与线束接线鼻之间的接触电阻。电池在使用后不断老化过程中，内阻会升高，同时如果接线柱连接不够牢固，接触电阻也容易变大，在大电流放电情况下，会释放大量的热量。所以，温度测量对于电池监测非常必要，可以在电池温度达到一定程度时进行报警，并通过采集板中的其他控制模块实施一定的安全策略。

在次级主控模块中不仅包含上述采集节点，也包含：

1） 电压、电流采集。次级主控模块的主控芯片通过高精度ADC转换器获取电池组的电压和电流信息，通过采集模块采集电池单体的相关信息。

2） 绝缘采集。绝缘采集主要通过高精度ADC转换器测量直流母线与电底盘之间的电压，计算得到系统的绝缘电阻值。

3） 其他控制模块。其他控制模块主要包含继电器、风扇等，用于在接收到电池管理系统主控的控制命令时执行命令动作及安全保护策略。

4） 无线通信模块。无线通信模块采用CC2620F128模块，通过ZigBee协议进行无线组网和通信。次级主控将采集到各类数据，通过无线ZigBee通信模块以无线的方式发送到包含ZigBee协调器节点的电池管理系统主控模块。

4 结束语

本文中，采集板负责采集电池单体的电压、电流、温度信息，并执行命令动作和安全保护策略，它属于次级主控的一部分。次级主控主要功能是获取电池组的电压、电流、温度信息，并将这些信息通过无线网络发送至电池管理系统主控模块。以上设计不仅确保了电池组的安全运行、健康检测、状态估计等功能，还通过无线网络替代了传统电池管理系统主控与次级主控间通过CAN总线通信的方式，有效降低了系统的复杂度、布线复杂度，以及电池组的整体重量，从而显著提升了电池系统的性能。