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(1.大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連 116028；2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司；3.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院)

引 言

能源短缺和環(huán)境污染問題促使了新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展。動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件之一，其性能指標(biāo)直接影響整車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，但是動(dòng)力電池應(yīng)用在新能源汽車上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力電池組各單體電池電壓不一致等諸多問題，需要采用一套完善的電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)對(duì)使用過程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，保障電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，因此本文對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

完整的電池管理系統(tǒng)具備以下功能：電池組工作參數(shù)的采集、電池SOC的估算、電池的故障診斷以及數(shù)據(jù)之間的通信。實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池以多電池包形式布置，采集的電池參數(shù)量較大，通常采取分布式管理方案。本文就是采用主-從分布結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池電壓、電流、溫度的檢測(cè)，電池組之間的均衡控制、電池SOC的估算以及對(duì)過充電或者過放電的保護(hù)等功能，另外主控板還提供與整車通信的CAN接口以及與上位機(jī)通信的串口。系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 主控板硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU芯片選擇

本設(shè)計(jì)中電池管理系統(tǒng)需完成對(duì)動(dòng)力電池工作電壓、電流及溫度的采集，并對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOC估算和電壓均衡控制，因此所選的主控制器芯片應(yīng)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和中斷處理能力。綜合考慮，最終選擇飛思卡爾(被恩智浦收購)汽車級(jí)MCU芯片MC9S12XEQ512MAL作為本系統(tǒng)的主控制器芯片。

圖3 電源隔離電路

MC9S12XEQ512MAL是飛思卡爾(已被NXP收購)專為汽車電子領(lǐng)域設(shè)計(jì)的MC9S12X系列中的芯片，作為一款16位的控制芯片，其擁有豐富的片上資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，并具有功耗低、存儲(chǔ)容量大、工作頻率高、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。該芯片具有32 KB內(nèi)部RAM、512 KB的Flash存儲(chǔ)器、4 KB的EEPROM以及2個(gè)16通道、12位精度A/D轉(zhuǎn)換器，并且包含CAN、SPI、SCI、I2C通信接口。

2.2 電流采集電路設(shè)計(jì)

本文選用CHB-200SF霍爾電流傳感器采集總線電流值，其可以檢測(cè)的電流范圍為0～±300 A，電源電壓取值為±12 V，工作溫度范圍為-25～70 ℃，反應(yīng)時(shí)間在1 μs以下。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

2.3 電源隔離電路設(shè)計(jì)

新能源汽車動(dòng)力電池組通常由上百節(jié)單體電池串連組成，其總電壓高達(dá)300 V，因此需要將采集板上高壓系統(tǒng)與單片機(jī)低壓系統(tǒng)通過隔離器件進(jìn)行隔離。這樣既能使得主控板電路免受采集板高電壓的影響，又可以保護(hù)工作人員在操作時(shí)免遭電池高電壓電擊。

電壓采集板上的BQ76PL536A芯片外圍帶有過壓大電流保護(hù)，采用動(dòng)力電池包通過電源轉(zhuǎn)換電路直接供電，但對(duì)于采集板電路中的其他芯片，則和主控芯片采用同一電源供電，為了防止動(dòng)力電池包高電壓影響其他芯片，本設(shè)計(jì)添加了小型貼片式變壓器進(jìn)行隔離。該設(shè)計(jì)主要由三個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)：電流型脈寬調(diào)制芯片UCC2808、貼片式變壓器Q4470和低壓差線性轉(zhuǎn)換器TPS76901。首先來自主控制器芯片的5 V的供電電源接至脈寬調(diào)制器UCC2808和變壓器的中心抽頭端。經(jīng)UCC2808芯片后由6、7引腳高電流輸出端產(chǎn)生交替的低壓方波，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET交替導(dǎo)通，達(dá)到逆變作用。在貼片式變壓器的初級(jí)繞組兩端形成交流電壓，該電壓通過變壓器得到預(yù)定的交流電壓，又經(jīng)過二極管和電容等器件進(jìn)行簡(jiǎn)單整流濾波后得到5 V直流電壓，為了使整流濾波后的電壓穩(wěn)定，接著經(jīng)過穩(wěn)壓器TPS76901進(jìn)行穩(wěn)壓操作。由此便實(shí)現(xiàn)了主控板與采集板的高低壓電源隔離，如圖3所示。

3 采集板硬件電路設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)主要是以電壓、電流、溫度這三個(gè)物理量為基礎(chǔ)的，所以數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響電池管理系統(tǒng)的整體性能，具體涉及到電池荷電狀態(tài)的估算、均衡控制的效果、電池充放電效率以及電池狀態(tài)分析等。

3.1 采集板主芯片的選擇

BQ76PL536A是一款可以用于3～6節(jié)串聯(lián)鋰電池組的可堆疊電池監(jiān)視器和保護(hù)器。該芯片集成了模擬前端(AFE)和高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池電壓的精確測(cè)量，對(duì)于溫度的測(cè)量則使用了一個(gè)單獨(dú)的A/D轉(zhuǎn)換器。此外，BQ76PL536A還能對(duì)各個(gè)通道提供過壓、欠壓以及過熱保護(hù)，其自身多個(gè)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)用戶編程設(shè)置的保護(hù)閾值以及延遲的時(shí)間，一旦超出其中用戶編輯的某一個(gè)閾值且超過一定時(shí)間，相應(yīng)的寄存器則會(huì)置位并向主控芯片輸出故障信號(hào)。BQ76PL536A器件通過堆疊可監(jiān)測(cè)多達(dá)192個(gè)電芯組成的電池組，相比于凌力爾特的LTC68XX系列芯片，不需要另外設(shè)計(jì)隔離組件，器件之間通過高速SPI接口連接，采用菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)保證了傳輸?shù)目焖傩?。因此本文選用BQ76PL536A芯片來實(shí)現(xiàn)單體電池電壓采集、溫度采集、電池的均衡控制以及保護(hù)功能。

本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)所管理的電池包總電壓約為66 V，主要是以18串聯(lián)的鈷酸鋰電池為研究對(duì)象，故需要將3片BQ76PL536A芯片級(jí)聯(lián)。通過芯片上三組SPI通信通道以及故障報(bào)警通道，可實(shí)現(xiàn)芯片上下級(jí)之間以及與主控制器之間的數(shù)據(jù)信息交互。圖4為BQ76PL536A芯片的外圍電壓溫度采集電路圖。

3.2 單體電壓采集

電壓采集通過讀取BQ76PL536A芯片VC0～VC6引腳之間的差值來獲取單體電池電壓值，通過讀取BATx引腳還可以獲取該芯片所管理的電池總電壓值。BQ76PL536A芯片可以利用內(nèi)部高精度的A/D轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將各單體電池電壓值分別存儲(chǔ)至16位的寄存器VCELL1～VCELL6中，等待主控制器芯片隨時(shí)調(diào)用。期間一旦個(gè)別引腳電壓值出現(xiàn)異常，芯片內(nèi)部FAULT_STATUS寄存器會(huì)判斷異常信息類型，并將錯(cuò)誤信息通過FAULT_X引腳傳送至上級(jí)芯片，直至最終傳給主控制器芯片MC9S12XEQ512MAL，等待其發(fā)出更改指令。

3.3 溫度采集電路

溫度對(duì)電池的性能影響很大，溫度過高會(huì)導(dǎo)致電池的外殼破裂，發(fā)生爆炸等安全事故；溫度過低會(huì)使電池的電解液凝固，電池的充放電就無法正常進(jìn)行，電池需要在一定的溫度范圍內(nèi)才能夠正常工作，所以溫度采集對(duì)于電池管理系統(tǒng)十分重要。

BQ76PL536A芯片利用TS1+、TS1-、TS2+、TS2-這4個(gè)引腳外接熱敏電阻來測(cè)量電池包溫度。本電路選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC0603進(jìn)行溫度采集，對(duì)于環(huán)境溫度的檢測(cè)，通過外部連接一組阻容分壓網(wǎng)絡(luò)，將熱敏電阻的影響定在其響應(yīng)范圍之內(nèi)，具體電路如圖4所示。REG50是芯片內(nèi)部的一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器，熱敏電阻通過外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與REG50之間產(chǎn)生壓差，作為TSn+，TSn-端的輸入，并以REG50作為基準(zhǔn)值，通過內(nèi)部算法產(chǎn)生電壓值，將返回的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為比率：RTS=VTS：REG50，內(nèi)部ADC將此電壓值轉(zhuǎn)化為實(shí)測(cè)溫度。

3.4 均衡控制電路

動(dòng)力電池組通常由上百節(jié)電池串聯(lián)而成，在充放電過程中難免會(huì)因?yàn)殡姵亻g性能的不一致而導(dǎo)致能量的不一致。若處于放電過程中，容量低的電池容易造成過放電，充電過程中容量高的電池容易過充電，會(huì)縮短電池組的使用壽命，對(duì)整個(gè)電池組而言是不利的，因此需要均衡控制功能來達(dá)到電池之間能量的相對(duì)均衡。本文采用耗散型均衡方式，也就是被動(dòng)均衡方式，通過比較各個(gè)電壓的值，找出本電池組內(nèi)電壓值較高的電池，如果在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)電壓值仍然較高，則進(jìn)入電壓均衡模式。均衡控制電路如圖5所示。

圖5 均衡控制電路

BQ76PL536A每個(gè)電壓采集通道都有專用的均衡控制輸出口，當(dāng)芯片檢測(cè)出個(gè)別電池需要均衡的時(shí)候，主控制器芯片通過SPI通信收到異常信息并發(fā)出均衡控制指令，此時(shí)該均衡控制口所控制的MOSFET管導(dǎo)通，電池電壓通過并聯(lián)的均衡電阻(圖中R21)進(jìn)行分壓，使電池組電壓達(dá)到均衡。此外，設(shè)計(jì)還增加了多個(gè)二極管及電容器件，用來達(dá)到防止電壓瞬變，提供浪涌保護(hù)，提高EMC電磁兼容性等功能。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電池管理系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，得到如表1～表3所列的電壓、電流、溫度采集數(shù)據(jù)以及圖6所示的均衡控制時(shí)電壓變化曲線。根據(jù)采集得出的數(shù)據(jù)圖表可以看出，各項(xiàng)誤差均在合理的范圍之內(nèi)。從圖6可以看出，當(dāng)其中一節(jié)電池電壓值過高時(shí)(紅色曲線)，主控制器芯片發(fā)出均衡控制命令，該電壓立刻下降至與其他電池電壓等值，實(shí)現(xiàn)其均衡功能。

圖6 均衡控制電壓值曲線

結(jié) 語

表1 系統(tǒng)單體電壓采集數(shù)據(jù)

表2 系統(tǒng)電流采集數(shù)據(jù)

表3 系統(tǒng)溫度采集數(shù)據(jù)