<p>注：*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】</p> <h5>***  简要介绍作品：**</h5> <h6>核心部分为全新设计的电池管理系统（BMS），对大容量锂电池组进行有效管理和控制。以此为核心打造出积木式车载豪华平台，除已经搭载车载冰箱外，还有无数扩展的可能，包括车用装备（吸尘器、充气机）、出行装备（电热水器、温奶器），更可搭载逆变器，连接各种办公设备（笔记本电脑、打印机）。</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/PhyOvbTtWLaUanz6yFswo92LsE3L7EaCIki9lIdv.png" alt="主图.png"> 【请在竞赛阶段填写 ↓】</p> <h5>*  一、作品详情；</h5> <h6>本项目分为两个层面。</h6> <h6>外层是漂亮甚至豪华的一层，主要是一组多功能供电口，由自带的大容量锂电池组供电，连接车载冰箱、电加热水杯、通过逆变器连接笔记本电脑、提供USB接口等，将爱车打造成一个适合旅游、移动办公的舒适环境。这一层面基本是购买现成产品进行组合，技术含量有限。</h6> <h6>底层是本次项目的核心，为包含主被动均衡的电池管理系统（BMS）。</h6> <h5>*  <strong>二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题</strong>；</h5> <h6>动力锂电池进入实用场景，应该说处于方兴未艾的阶段。在新能源车领域，电动大巴为城市空气质量做出巨大贡献，电动出租车将燃油成本节省到极致，国家政策对此也有诸多鼓励。</h6> <h6>另外很重要的一点，锂电池在淘汰换代时只是容量下降，并非不能使用，这就很适合作为备用电源，给不希望停电的各种场合供电，如电梯、信号基站等，这类应用在目前刚刚兴起，有着极好的商业前景。</h6> <h6>众所周知，锂电池不能过充过放，而实际的电池组均为多个单体串联。以放电过程来说，如果其中一个单体放电到最低电压，则整个电池组就不能继续放电了，这就造成了电池组整体容量的浪费。充电过程也是如此。在备用电源的应用场景中，因为经常采用回收电池，各单体容量差异很大，这个问题就更突出。因此，这里BMS的均衡功能就成为重要角色。</h6> <h6>目前国内大的BMS厂家产品，均以被动均衡为主，主动均衡产品屈指可数。而被动均衡通常电流很小，只适合较新的电芯，且需要电池组内都是同一批次产品，对容量不一致比较严重的回收电池来说就有些力不从心。同时主流的集成芯片绝大部分并不适合做主动均衡，会造成电路浪费、成本虚高。</h6> <h5>* ** 三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点；**</h5> <h6>本项目根据自身情况（串数低及需要主动均衡），采用全新设计的分立元件的方案，集成了创新的被动均衡、电压检测和全新的主动均衡功能，并有专利在申请。</h6> <h5>* ** 四、作品材料清单；**</h5> <h6>主要芯片（均为立创商城直接搜索购买）：STM32F103VET6；TPS54360;TPS55340;ACS758LCB-050B-PFF-T;WSP4884;ADS1118IDGSR;MAX8815AETB;UC3843;WSD30L120DN56;WSD30100DN56</h6> <h5>***  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛）**</h5> <h5>***  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛）**</h5> <h5>**   七、开源文档。**</h5> <h6>项目分成三块电路板，其中的BMS核心模块完成单体电压的高精度检测、被动均衡、主动均衡功能，是项目的技术核心内容。主控板包含主控单片机、电芯切换电路，还包括对各路外接设备的管理，另外还有树莓派的接口板，主要完成电源转换和通讯口转换。</h6> <ul> <li><strong>BMS核心模块</strong></li> </ul> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/8A7Rhna4GKeDxFis5qRAzgyEo9h9XDoK8osMsQbt.png" alt="1.png"></p> <ul> <li><strong>核心模块的具体功能包括以下部分：</strong></li> </ul> <h6>1，选通后，模块将与指定电芯单体相连，从该单体获得供电电压。根据电池材料不同，该电压设计范围为2.0~4.2V。</h6> <h6>为保证后续电路可靠平稳工作，首先从电芯单体产生5V电压。这一功能由 MAX8815A 实现。电路如下：</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/3p3jCJzDzdDRbTkygq5iCbOWvApT1C0W5upaBjDx.png" alt="3.png"></p> <h6>接下来是BMS核心功能之一，单体电压测量。通常市面主流的集成芯片如nxp（3xxxx）、linear（6xxx）、TI等，芯片内部采用16位AD，实际应用时精度在几mV，因此这里也采用16位ADC。</h6> <h6></h6> <h6>ADS1118是一款16位ADC，内置高精度参考源，相比同价格产品，转换速率也比较高，成本合适，因此此次项目选择这个芯片。</h6> <h6></h6> <h6>前置滤波电路，按业内通用习惯，转折频率设置为几十Hz，一般2~3阶。这个选择是源于实际测量频率的需要，在不影响采样速率的情况下，尽可能降低转折频率，过滤掉各种噪声干扰。</h6> <h6>由于选中的电芯为多串中的一个单体，因此该电芯的负极并不是电路整体的负极，这样，AD转换的结果需要隔离之后才能传到单片机。ADuM1401用于完成数字隔离功能。</h6> <h6></h6> <h6>这一部分电路如下：</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/u5vQCyiACxvmMH6Gkuy9balz7YqClOIMwMxo1pAL.png" alt="4.png"></p> <h6></h6> <h6>另一个主要部分是主动均衡，其原理其实相当于一个充电器电路，只不过按照产品功能规划，其供电电源来源不同。对于很多车用方案来说，系统中存在一个DC 24V，在动力电切断的情况下仍会给BMS等多种外围电路供电。此时采用此24V作为供电电源比较合适。</h6> <h6></h6> <h6>而对本项目和其它一些低串应用（如小物流车）来说，系统可能没有这个额外的供电电源，此时该电源只能来自于电池组本身。也就是说，本项目中，如果有一节电芯单体电压过低，将从4串电芯的总正、总负取电，给它充电。</h6> <h6></h6> <h6>整体方案是通用的3843，同样因为供电和被充电的电平不同，所以需要隔离。另外，由于是电池供电，处处都要考虑功耗问题，所以用一个MOSFET控制整个充电电路的通断。</h6> <h6></h6> <h6>主动均衡电路如下：</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/Rv0bE4tW9oeQWK3cnSB4pitsW7hVCZ8U89ZYZqhA.png" alt="5.png"></p> <h6></h6> <h6>被动均衡相对简单得多，用MOSFET将一个功率电阻连接到电芯两端，让单体电压过高的电芯通过该电阻放电。在通用的集成芯片方案中，如前述NXP等等，每个电芯需要一个功率电阻，这就使得电路变得十分臃肿。本方案所有电芯共用一个电阻，大大减小了电路规模。</h6> <h6></h6> <h6>以上是均衡模块，完成BMS最核心的功能，也包含了技术上相对麻烦的部分，而且尚有很大的进一步优化的余地，因此独立出来做成一个模块。</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/l7ZiDNumd6nNG5XnDkU617WYzO2GA23h5G5N7V3H.png" alt="ABM TOP.png">    <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mVq0pMnVXwS2NVq4mmoKVM6eFwSrKdySnHXIipAK.png" alt="ABM BOT.png"></p> <h6></h6> <p>立创的 logo 是必须的，嘿嘿</p> <h6></h6> <h6>******************************************************************************************************</h6> <h6></h6> <p>下面是切换电路，用于分时将不同电芯连接到均衡模块。每一路都是如此，将对应的电芯通过MOSFET连接到均衡模块： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/arfLR1UQEQNR0hJLW5EhGhFYec4L0B8UcG6FeeOx.png" alt="sel.png"></p> <h6>其中CC+ 和CC- 就是前面均衡模块中的CC+和CC-，可以看到直接用于测量电压、主被动均衡。</h6> <h6></h6> <h6>注意到选通使用的是N沟道MOSFET，对于最高一两个电芯，它的正压接近或等于系统内最高电压，其对应的MOSFET的G极，无法再提供更高的电压上拉。</h6> <h6>对于最高串，可以采用P-MOS，用下拉来驱动，但对中间两串，无论上拉下拉，电压都显不足，尤其是考虑到锂电池空和满之间电压变化很大。</h6> <h6>因此，额外用了一片TPS55340，用于生成HV，将驱动电压上拉。</h6> <h6></h6> <h6>系统设计了多个对外接口，特性不完全相同。</h6> <h6>为车载冰箱和热水杯设计的接口，在不受控制时导通，主要是考虑，如系统只有这类负载，则 BMS 系统可以每次长时间休眠后再唤醒、测量短暂时间，然后继续休眠。</h6> <h6>这样有个隐患，即万一 BMS 故障，此类负载不能关断，时间久了可能会导致电池过放而损坏。那么这个设计就是一个权衡，各有利弊。在产品设计过程中，重要的一点就是将此类问题明确拿出来考虑，这类问题将成为产品定位的 “feature”。</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ltG8fGnQ3EBN5leS4IU75c3LzhaSCst2jGFLdpII.png" alt="冰箱.png"></p> <h6>树莓派则相反，不控制时关断。只有单片机明确控制，才会导通。因为这个耗电实在太大了，另外，与冰箱不同的是，人不在车上，它就没用，甚至人在车上也只是非常偶尔地才会操作一下</h6> <h6>该控制电路如下</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/cgNFcgZi8PaOs1ySe3Ieod6O1Beh9NGOzrrgCQRw.png" alt="pi.png"></p> <h6>整个板子：</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/sT9VKIGJq2iEnVfKpNJocIG4oytmyk8rrbg4Zvn9.png" alt="ab.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/bYlX6dknwzBa7t1Adyg9DRFAZKVPAmTXHFatqtLt.jpeg" alt="AB.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/PLFzr7Klz96VCXKW1IYMgUDl2IBJMtYj0aNyc3BE.jpeg" alt="LOGO.jpg"></p> <h6></h6> <h6>电路部分的整体内容大概就是如此，核心仍然时均衡模块，开关控制部分比较简单。</h6> <h6>各部分电路测试的视频见附件。</h6> <h5><strong>*************************************************************************</strong></h5> <h5><strong>*************************   树莓派软件部分 ***************************</strong></h5> <h5><strong>*************************************************************************</strong></h5> <h6></h6> <h6>树莓派软件采用 Python + PyQt，好处一是代码简洁，各种库使用方便，二是跨平台特性，这一次真是帮了我的大忙，给大家讲讲我的糗事。</h6> <h6>本次大赛截至周日，结果我在周五调试的时候，镊子一滑，烧掉了我手里的树莓派。没什么可说的，赶紧从立创又买了一块，顺丰过来，这已经是周六，然后发现，USB口和显示的HDMI口都不一样了。忙的要死，事先忘了确认，怎么办呢，又买转接头，又顺丰，可是，这次顺丰到了已经是周日傍晚了。</h6> <h6>那我这临门一脚，这两天时间，耽搁了吗？并没有！！原来的树莓派烧了，但SD卡没事，我把文件拷到笔记本电脑的win10 + PyCharm环境，竟然只需要改一个地方，就是原来的树莓派GPIO口改成了USB转485卡的口，以前是“/dev/serial0”（不是网上说的ttyAMA0，这是另一个故事了），到笔记本上换了设备，改成“COM4",其它原封不动，正常调试，时间基本没耽搁！</h6> <h6>等周日晚上，我其实觉得如果时间赶不上就算了，用笔记本演示也是没办法的办法，毕竟树莓派还没点亮过！（没有显示，没有配置无线网，中间试过按网上说的用putty连，用网线连，但是都没连上，也不应该花太多时间在这个上）</h6> <h6>但是，奇迹发生了，hdmi转接头到了之后，很顺利启动了系统（原来sd卡不能用，提前重新做系统，在官网，很简单的几步），插上USB转485卡，到/dev下找到对应的名字，在程序中改成这个名字，别的完全没动，直接一次运行成功！</h6> <h6>这就是跨平台。。。</h6> <h6></h6> <h6>好了，言归正传，说说软件。软件其实可说的不多，几个小坑基本在上面提过了，一是找到串口的设备名在python中用，不是网上说的 /dev/ttyAMA0，而是/dev/serial0（Pi 3B）。对于外插的USB设备，有个小技巧，先 ls /dev，然后再插设备，然后再一次 ls /dev，多出来的那个名字，直接抄到代码中应该就可以了。</h6> <h6>二是原来的三代的sd卡似乎不能启动四代，需要重新做系统。</h6> <h6>软件部分值得一提的应该是UI的设计，从配色到布局，简直烧掉了我无数脑细胞。还不错吧，嘿嘿</h6> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/zYMHagLSX4ktaxGnczRGQ5ZYgcNgKqTxYCTYRFRH.png" alt="ui.png"></p> <h6>左下的数字是单体电压，右下是剩余电量。</h6> <h6>比较创新的地方是，考虑到行车安全，通常的按钮太小，根本不适合开车过程中操作，这次将屏幕划分为九宫格，除中间和右下区域外，其它区域，每个区域整个相当于一个按钮，在触摸屏上按一下就可以操作对应的开关，十分便于开车时操作。本设计正申请专利。</h6> <h6>代码中一些关键部分：</h6> <pre><code> def rs485Routine(): global serState, dtRcv, dtTrans stdlen = 30 # length, one rcved frame should be, including head 0x55,0xaa and check sum buflen = ser.inWaiting() if buflen == 0: print('serial empty') return if serState == 0: dtRcv = list(ser.read(1)) if dtRcv[0] == 0x55: serState = 1 # 1 means already have 0x55, the first byte of a frame print('serState = 1') else: print('serState = 0, a byte read, but not 0x55,its %x' % dtRcv[0]) if serState == 1: if buflen </code></pre>