2024年1月18日发(作者：)

设计研发2021.08基于BQ76pl455高精度电压采集芯片的储能电池管理系

统设计张军，宋泰增(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京，211102)摘要:电池管理系统的设计是电池储能技术发展过程中的重要技术环节。本文设计了一种基于BQ76PL455A主从式高精

度电压检测电路的电池管理系统硬件结构，首先分析了不同种类BMS拓扑的优劣，在此基础上设计了一种电池管理系统

结构，并搭建硬件装置验证了设计方案的有效性。关键词:高精度电压釆集;主从式；电池管理系统；硬件结构Design

of

energy

storage

battery

management

system

based

on

BQ76pl455 high-precision

voltage

acquisition

chipZhang

Jun,

Song

Taizeng(Nanjing

Nanrui

Relay

Electrie

Co.,

Ltd.,

Nanjing

Jiangsu,

211102)Abstract；

The

design

of

the

battery

management

system

is

an

important

technical

link

in

the

development

of

battery

energy

storage

technology・

This

paper

designs

a

battery

management

system

hardware

structure

based

on

the

BQ76PL455A

master-slave

high-precision

voltage

detection

circuit.

First,

analyzes

the

advantages

and

disadvantages

of

different

types

of

BMS

topologies.

Based

on

this,

a

battery

management

system

strueture

is

designed

and

hardware

devices

are

built.

Verify

the

effectiveness

of

the

design

ds；

high-precision

voltage

measurement

；

master-slave

；

battery

management

system ； hardware

struetureo前言电池储能技术已经被广泛用于实际工程中，包括：电动

数对比如表1所示［4表1拓扑对比分析表可靠性车辆、电网储能、备用电源等等。近年来，锂电池因其具备高

能量密度与长寿命等优势，成为了储能中最具发展潜力的技

经济性优秀一般适用场合电池包较小复杂性技术难度较低集中式分布式主从式一般优秀较高术之一叭电池包较大均适用较低适中较高电池管理系统(battery

management

system,

BMS)是

良好良好适中储能电池应用过程中重要组成部分，其可实现对电池组的精

准状态评估、寿命预测与安全管理。目前国外己近成熟应用

的电池管理系统有德国的BADICHEQ系统、BADICOACH系统和

其中集中式拓扑需要将所有采集量与计算量全部由一

个主控板实现，其控制复杂度较高，线路复杂,扩展性较差。

分布式拓扑拓展性较好，但是成本较高,技术设计困难。主从

BATTMAN系统，美国ACPropulsion公司开发的BAT0PT系统W

及美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统等［21o国内对储能电池管理系统的研究相对发达国家来说，起

式BMS拓扑兼具了两者的优势,能够很好适合储能系统的各

个技术层次的需求，因此本设计选用主从式拓扑。本设计硬件整体架构如图1所示,包括:主控板、从控板、

霍尔电流传感器、通讯显示屏与电池组。其中从控板能够采

步较晚，但受益于我国政府的大力支持和国内企业院校的不

懈努力，已经取得了一定的研究成果,在多数领域和国外先

进水平相比还有一定的差距。许多理论基础和研究体系也都

是基于国外的研究和探索D］o集得到16路电池单体电压并传送至主控板。霍尔电流传感器

釆集直流总线电压并传送至主控板。主控板对釆集量进行分

析计算后，得到相应电池组单体电压、成组电压、成组电流、

单体荷电状态等信息，通过通讯在显示屏中显示。1系统硬件设计1.1硬件整体架构首先对BMS的硬件系统拓扑进行对比分析，现有常见的

本设计选用TI公司bq76pl455EVM电池检测芯片作为

电压采集器与均衡器、主控板采用TI公司TMS320F28335芯

拓扑主要包括：集中式、分布式、主从式。各种拓扑的技术参片、并釆用霍尔电流传感器进行电池组总电流测量。申耳测说ELECTRONIC

TEST

2021.08设计研发的PWM输出(HRPWM),

12位16通

道ADC。得益于其浮点运算单元，用

户可快速编写控制算法而无需在处

理小数操作上耗费过多的时间和精

力,与前代DSP相比,平均性能提高

9szHaxz-s60

皀型州50%,并与定点C28x控制器软件兼

485通讯显示屏容，从而简化软件开发，缩短开发周

期，降低开发成本。本设计中釆用一块TMS320

F28335作为BMS系统的主控芯片,

进行采集量的处理与通讯等功能。(3)

锂电池组本设计中所用电池为18650圆

柱形电池，这是具有内阻小、大电流

从控板BQ76pl455ATQ1放电性能好、适应温度广、深放电回

复性能好、安全可靠等优点。(4)

交互显示屏

本设计选用迪文科技DMT48270T043_15WT触摸串口屏，采用

RS485通讯，功耗15OmA012V,亮度

图1硬件整体架构300nit,防护等级IP65,用于将主控

板计算得到的各种状态参数进行显

1.2硬件选型(1)高精度电压检测电路设计电压釆集模块设计的优劣直接影响到均衡器的精准程

示与调用。(5)霍尔电流传感器霍尔变比为100A/5V其中4根导线分别为正负12V电压、

度。本设计釆用德州仪器公司生产的BQ76PL455A是一款集成

式电池监视和保护器件，其具备精密的内部基准，内置14位

高性能模数转换器(ADC)，可以实现输入电压范围为0V至5V

的高精度电压监视。bq76PL455A能够监视和检测几种不同

接地与信号线，如图3所示。的故障条件，包括：过压、欠压、过温和通信故障。还包含6个

GPIP端口和8个模拟AUX

ADC输入，增强了监测和可编程功

能。还具有二级热关断功能，提供了进一步保护。集成式高速

差分电容隔离通信接口能够让16个bq76PL455A-Ql器件通过

单个高速通用异步接收器/发射器(UART)接口与主机通信。图3霍尔电流传感器本设计中用一块BQ76PL455A芯片同时检测16路电池

单体的电压。如图2所示。2硬件系统的实现完成本系统设计如图4所示。图2高精度电压检测电路结构(2) TMS320F28335TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位

浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF,有

多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度图4硬件实现图(下转第31页)申耳测说ELECTRONIC

TEST

2021.08设计研发-----------------------------------E输皿充功电破值-J-a)无功电流给定值Iq*和实际输出值lq

b)尤功电流补偿供来图5无功电流给定值Iq*和实际输出值Iq量不大，而且不受干扰。原理如图3所示。终和Iq*重合，两者的差值几乎为零,只是在0.

2s切出负载

3级联H桥SVG的直流侧电压平衡控制策略我们对直流侧电压总体控制的实现方法是通过检测每

的时候有稍微的跳变，但是能在极快的时间恢复。也反应出

所设计的静止无功发生器良好快速的补偿效果。个H桥模块的直流侧电压，我们先对其求取平均值，然后与我

们之前设定的电压相比较，然后我们将这个测量出来的信号

5结论通过对SVG仿真建模以及仿真分析，可以看到，可以看出

本次设计的三相静止无功发生器具有良好的控制补偿效果,

经过PI调节器加以控制,从而达到控制SVG从电网吸收的

有功功率。直流侧电压总体控制框图如图4所示。能快速补偿负载无功，动态响应快、补偿效果好。对实际应用

4仿真分析在仿真中为了分析所设计模型的动态性能和应对负载

有很好的研究意义。参考文献[1]邵春伟.H桥级联型静止无功发生器SVG的研究[D],哈

尔滨理工大学,2014.突变的能力,分别在0.

Is时和0.

2s时进行了切载操作,0.

Is

时切入一个P=50kW,

Q=25kW的负载，相当于负载加倍；0.

2s

时将其切除实现负载减半操作。为了观测静止无功发生器的补偿效果，检测的负载无功

⑵何军.电力电子技术与谐波抑制、无功功率补偿技术研究

综述[J],电子技术与软件工程,2016,000(1):243.⑶张国荣，廖兵，彭勃，等.电网电压不平衡条件下混合

无功补偿系统分层协调控制策略[J].电测与仪表，

电流Iq*和静止无功发生器输出无功电流Iq如图5所示。由图5可以看出静止无功发生器输出无功电流Iq能很

好的跟踪负载无功电流Iq*,不论在负载切入或者切出都始

2018,56(5).(上接第25页)对电池组施加近似混合动力脉冲能力特性(Hybrid

要技术环节。本文设计了一种基于BQ76PL455A主从式高精度

电压检测电路的电池管理系统硬件结构，并搭建硬件装置验

证了设计方案的有效性。Pulse

Power

Characteristic,

HPPC)放电试验工步，显示界

面入图5所示。参考文献[1]Y.

Zhou,

M.

Huang,

Y.

Chen,

and

Y.

Tao,

"A

novel

health

indicator

for on-line

lithium-ion batteries remaining

useful

life

prediction,0

J.

Power

Sources,

321,

pp.

1-10,

2016.⑵陈玺.电动汽车用电池管理系统设计[D].华北电力大学

（北京）,2016.图5测试结果⑶

简俊鹏.纯电动汽车锂电池管理系统研究与设计[D].江

西理工大学，2015.其中红线为电池单体1的运行电压曲线,黄线为电池单

体1的运行电流曲线，可见，本文设计的BMS能够精准追踪电

池组的状态信息,验证了上述电池管理系统设计的有效性。[4]Andrea,

Davide.

Battery

management

systems

for

large

lithium-ion

battery

packs[M].Artech

House,

2001:

22-23.3总结与展望电池管理系统的设计是电池储能技术发展过程中的重

ELECTRONIC

TEST