王厚磊，邵 飛，項(xiàng)思源

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一種蓄電池組測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

王厚磊，邵 飛，項(xiàng)思源

（武漢船用電力裝置研究所，武漢 430064）

本文提出了一種基于PWM技術(shù)蓄電池組測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，介紹了硬件的設(shè)計(jì)整體架構(gòu)，詳細(xì)闡述了各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，完成了的模擬采樣波形輸出。通過示波器顯示了不同占空比配置的PWM波波形，測量了靜置轉(zhuǎn)充電的響應(yīng)時(shí)間和能量轉(zhuǎn)換的功率因數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明文中硬件電路的設(shè)計(jì)是有優(yōu)勢的。

蓄電池組 模擬量 PWM 采樣 CAN通信

0 引言

蓄電池組被廣泛地應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的各種領(lǐng)域中。蓄電池在使用時(shí)，需要不斷的進(jìn)行充電和放電，傳統(tǒng)用晶閘管和電阻來實(shí)現(xiàn)的充放電和檢測系統(tǒng)不但功率因數(shù)低、體積龐大，而且充電和放電系統(tǒng)不能很好地整合到一起，還會(huì)產(chǎn)生大量諧波，這會(huì)對電網(wǎng)中的繼電器、發(fā)電設(shè)備、通訊系統(tǒng)及同網(wǎng)中的其他用電設(shè)備產(chǎn)生一系列影響。在解決充放電技術(shù)的同時(shí)，新型的蓄電池組要求充放電系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)（BMS）對接，能讀取電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對蓄電池組的內(nèi)阻、容量、循環(huán)壽命進(jìn)行監(jiān)測和管理，隨著蓄電池充放電與檢測技術(shù)的進(jìn)步，新型的蓄電池組充放電與檢測系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)要解決上述問題[1]。

蓄電池組測試系統(tǒng)是新型的蓄電池組充放電與檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入了PWM技術(shù)，基于PWM整流斬波技術(shù)的蓄電池組測試系統(tǒng)可以在斬波側(cè)輸出穩(wěn)定的可以改變的直流電，并且電壓波形相位可以調(diào)節(jié)，可以工作在整流和逆變兩種狀態(tài)下。為解決電池充放電過程中的功率因數(shù)低、諧波大的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)軟件，用PC機(jī)控制，通過以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝文件的下載，通過編制工藝文件完成恒流充/放電、恒壓充/放電，溫度監(jiān)測等功能，同時(shí)通過上位機(jī)軟件可以與電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對蓄電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測管理。蓄電池組對測試系統(tǒng)的輸出電流特性很高，很小的電流紋波都會(huì)導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命、容量、內(nèi)阻等重要參數(shù)測試不準(zhǔn)確，應(yīng)用了新技術(shù)的測試系統(tǒng)在充放電過程中電壓和電流的紋波都很小，滿足蓄電池組的動(dòng)態(tài)性能要求[2]。

蓄電池組測試系統(tǒng)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，電網(wǎng)側(cè)變換器采用交流電壓器，從變壓器輸出的電流經(jīng)輸入電感濾波整形，進(jìn)入整流、斬波模塊,再經(jīng)過輸出電感輸出穩(wěn)定的穩(wěn)定的直流電，控制模塊通過采樣各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓電流溫度值，控制報(bào)警信號(hào)輸出，PWM波輸出，通過CAN接口連接，上位機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)與BMS的對接。其中模塊模塊和斬波模塊由若干IGBT組合而成，主要實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換和直流母線電壓的穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。經(jīng)斬波模塊輸出的直流電經(jīng)輸出電感濾波整形，輸出穩(wěn)定的直流電，給蓄電池組充電，放電的原理是充電的逆過程。設(shè)計(jì)采用TI公司的TMS320F2812A型DSP芯片為控制核心，以空間矢量SVPWM算法實(shí)現(xiàn)對PWM整流系統(tǒng)和斬波系統(tǒng)進(jìn)行控制，而控制模塊根據(jù)采樣信號(hào)情況發(fā)出PWM波給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送整形后的PWM波控制IGBT的通斷，實(shí)現(xiàn)電池恒流充電、恒壓充電的等充電方式和蓄電池能量的回饋。其基本結(jié)構(gòu)包括：電壓型變壓器、雙向電感、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采樣檢測電路等，本文對主要硬件部分進(jìn)行簡介。

圖1 蓄電池充放電與檢測系統(tǒng)示意圖

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)接口要求和中心控制器和處理器的選型

蓄電池組測試系統(tǒng)要求中心控制器和處理器有豐富的接口資源：中心處理器需提供多路模擬量采樣通道，對直流母線電壓、輸出電流、輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，處理器需提供多路數(shù)字輸入輸出通道，實(shí)現(xiàn)直接對繼電器的控制，處理器需提供多路PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，中心控制器需提供以太網(wǎng)接口，用于與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制；提供兩路以上CAN 接口與其他路并聯(lián)通信；提供SD卡接口，安裝SD卡，便于存儲(chǔ)大的工藝文件；提供RS485/RS232接口用于串口通信，中心處理器和中心控制器之間要共用總線，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換。

根據(jù)蓄電池測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制綜合平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架和接口要求，可以研制以嵌入式處理器為底層控制器的控制系統(tǒng)。目前嵌入式微處理器一般可分為嵌入式微控制器即單片機(jī)，ARM處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，在具體應(yīng)用方面有以下區(qū)別：MCU優(yōu)點(diǎn)是在邏輯判斷和I/O控制為方面；ARM處理器，在MCU基礎(chǔ)上增加實(shí)時(shí)操作的RTOS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性能有很大提高；DSP主要用于處理復(fù)雜數(shù)字信號(hào)的數(shù)學(xué)算法上更有優(yōu)勢，數(shù)字信號(hào)處理功能強(qiáng)大，而FPGA為集成路很多通用型可編程單元，在保密技術(shù)方面應(yīng)用廣泛。

蓄電池組測試系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)地處理電池組的數(shù)據(jù)采樣，實(shí)時(shí)對電池組進(jìn)行充放電和監(jiān)控管理，動(dòng)力電池測試系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)上位機(jī)控制，要求實(shí)時(shí)操作下載工藝文件，進(jìn)行各個(gè)工況的實(shí)際電池檢測及充放電處理，所以選用了ARM處理器作為系統(tǒng)管理芯片，通過上位機(jī)和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)與BMS的對接。在選擇微處理器作為PWM變流器控制器方面，DSP處理器芯片內(nèi)部有豐富的用于數(shù)字信號(hào)處理的硬件資源，可以快速實(shí)時(shí)地運(yùn)行各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理，其最基本的結(jié)構(gòu)單元被稱為MAC的乘加器。主要采用C語言和匯編語言進(jìn)行編程；但系統(tǒng)需要的PWM脈沖信號(hào)數(shù)量往往較多，而DSP處理器PWM輸出信號(hào)有限，這時(shí)考慮用CPLD芯片輔助實(shí)現(xiàn)多路輸出，CPLD可以用Verilog HDL硬件描述語言對內(nèi)部邏輯塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)I/O口自主定義和相應(yīng)的邏輯功能。

2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系列蓄電池組測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括MCU板、接口控制板、驅(qū)動(dòng)板、模擬采樣轉(zhuǎn)接板。如圖2所示。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)示意圖

MCU板是核心處理板，實(shí)現(xiàn)模擬采樣信號(hào)數(shù)字化，數(shù)字信號(hào)處理，PWM波生成輸出，DIDO控制，CAN、以太網(wǎng)接口控制，485串行接口控制。接口控制板主要功能是為硬件系統(tǒng)提供電源，模擬信號(hào)采樣輸入輸出，PWM波整形輸出，為DIDO提供輸入輸出端口。驅(qū)動(dòng)板是輸出PWM波的控制輸出單元，接收由接口控制板輸入的PWM波，在驅(qū)動(dòng)芯片保護(hù)下，輸出對IGBT進(jìn)行開關(guān)控制的PWM波信號(hào)。模擬信號(hào)采樣轉(zhuǎn)接板直接采集傳感器的電壓、電流、溫度信號(hào)，并為傳感器提供電源輸入。

3 硬件系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

3.1 MCU中心控制模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 MCU中心控制模塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)

MCU板為DSP+ARM架構(gòu)如圖4，DSP選用TI公司的320F2812PGFA芯片，ARM選用LPC1788FBD芯片，DSP部分具備12路模擬信號(hào)采樣，16路PWM波輸出，6路IGBT故障報(bào)警，8路硬件電路報(bào)警，6路DI輸入，8路DO輸出，2路PTC輸入，1路CAN，1路RS485。ARM部分具備2路CAN、2路RS485，1路以太網(wǎng)，1個(gè)SD卡，CAN接口用來并聯(lián)更多測試設(shè)備，以太網(wǎng)接口連接上位機(jī)軟件，SD卡用來存儲(chǔ)運(yùn)行工藝文件。

圖4 MCU板原理圖示意

選用TMS320LF2812DSP為本系統(tǒng)的處理器。TMS320F2812為TI公司32位高性能定點(diǎn)DSP處理器，內(nèi)核供電電壓1.8 V，主頻率150 MHz，指令周期時(shí)長6.67 ns，內(nèi)部可直接進(jìn)行單機(jī)器周期的32位×32位MAC運(yùn)算。片上集成了18k×16位SRAM和128k×16位FLASH，方便程序固化在模塊中，為脫機(jī)運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)提供了存儲(chǔ)空間。此外，片上自帶豐富的外設(shè)接口資源，3個(gè)32位的CPU定時(shí)器，2組事件管理器EVA和EVB，16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換（2個(gè)8通道的輸入多路轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)采樣保持器），采樣頻率可達(dá)12.5MSPS，在PWM波控制方面，可輸出16路PWM控制脈沖，同時(shí)自帶豐富的通信接口資源，包括：SPI、UART、CAN和McBSP等接口，可以有效實(shí)現(xiàn)對外接口連接。工作溫度范圍是-40 ℃~+125 ℃，滿足蓄電池組測試系統(tǒng)應(yīng)用的工業(yè)場合要求[3]。TMS320LF2812DSP作為TI公司首推的DSP系列產(chǎn)品，在工控領(lǐng)域的應(yīng)用很多，可靠性好，作為蓄電池組測試系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)控制模塊非常適合，選用NXP公司的LPC1788作為中心控制器，它是以Cortex-M3為內(nèi)核的高集成度微控制器，工作溫度-40 oC~85 oC，有512 kB片上閃存程序存儲(chǔ)器，具有系統(tǒng)編程（ISP）和應(yīng)用中編程(IAP)功能，有SD卡接口，支持MMC卡，雙通道CAN控制器等功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

TMS320F2812芯片自身內(nèi)部集成有16通道的AD模塊，但是經(jīng)過測試，其穩(wěn)定性較差，零漂現(xiàn)象嚴(yán)重，不能滿足系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換要求。因此需要外擴(kuò)性能更穩(wěn)定，處理效率更高的AD轉(zhuǎn)換模塊。通過查閱資料，選用ANALOG DEVICES公司的AD7656，它使用了多通道高速串行通訊技術(shù)，帶有八個(gè)模擬量輸入通道，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200 KSPS，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)12位。采用串行輸出接口方式，可以直接與TMS320F2812的MCBSP接口相連，接口電路如圖5所示。由于系統(tǒng)需要16路模擬量輸入，系統(tǒng)采用外擴(kuò)2片AD芯片的方式來設(shè)計(jì)。

圖5 AD模塊電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，WE/REFEN為內(nèi)部參考電壓使能或禁止管腳；STBY為待機(jī)模式選擇管腳。本設(shè)計(jì)中WE/REFEN，STBY均接+3.3 V，為高電平，此時(shí)A/D芯片轉(zhuǎn)換的參考電壓選擇內(nèi)部參考電壓VREF，待機(jī)模式不開啟芯片工作在正常工作狀態(tài)。由于模擬電壓信號(hào)輸入范圍為±4VREF，而內(nèi)部VREF穩(wěn)定值為2.5 V，得A/D模擬輸出范圍為±10 V。圖中范圍選擇管腳RANGE、片選管腳CS、讀操作管腳，均接CPLD芯片的I/O管腳，由CPLD芯片控制三個(gè)信號(hào)輸入。

SER / PARSEL為數(shù)據(jù)傳遞方式選擇，高電平為串口方式，低電平為并口連接方式，設(shè)計(jì)選擇并口接口；H/SSEL為A/D啟動(dòng)方式選擇，低電平選擇硬件方式啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換功能，高電平選擇軟件方式啟動(dòng)；W /B為數(shù)據(jù)寬度選擇管腳，低電平選擇16位數(shù)據(jù)寬度，高電平選擇8位數(shù)據(jù)寬度。SER / PAR直接接地，選擇并口連接方式；H/SSEL接地，選擇硬件方式啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換功能；W / B接地，選擇16位數(shù)據(jù)長度，其數(shù)據(jù)接口與DSP數(shù)據(jù)口通過數(shù)據(jù)總線直接相連[4]。

AD7656芯片的啟動(dòng)由管腳CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC時(shí)序決定，6路模擬信號(hào)的輸入通道分別對應(yīng)管腳V1-V6。其中管腳CONVSTA決定V1和V2通道，管腳CONVSTB決定V3和V4通道，管腳CONVSTC決定V5和V6通道，圖中CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC連接在一起，由CPLD芯片的I/O管腳控制，實(shí)現(xiàn)V1~V6六個(gè)模擬信號(hào)輸入通道同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。BUSY為輸出管腳，當(dāng)AD7656開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，此管腳變?yōu)楦唠娖捷敵鰻顟B(tài)，當(dāng)AD7656數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此管腳輸出低電平，本設(shè)計(jì)中由CPLD芯片I/O接口控制，通過控制總線由DSP發(fā)出指令，控制CPLD來完成。

在蓄電池組測試系統(tǒng)的控制模塊對系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，電流信號(hào)通過采樣電阻也轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由采樣電路得到的模擬電壓信號(hào)送入管腳V1~V6，六路輸入模擬電壓信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其共同A/D啟動(dòng)控制信號(hào)由CPLD芯片EPM1270T產(chǎn)生，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過BUSY管腳發(fā)送指令給CPLD芯片EPM1270T，EPM1270T再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)通過外部中斷管腳INT1通知TMS320F2812處理器，由TMS320F2812處理器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由16位數(shù)據(jù)總線讀回到內(nèi)部存儲(chǔ)單元。

此外AD7656數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片需要外接+12 V和-12 V電源供電，要求提供電壓精度高，穩(wěn)定性好，本設(shè)計(jì)選擇了電源芯片MC78M12BDT和MC79M12BDT，該芯片工作電壓范圍寬，輸入在3 V-15 V問都能正常工作，輸出電流可達(dá)1.5 A。其性能可滿足AD7656的要求。

3.1.3CAN接口通信模塊設(shè)計(jì)

CAN總線通信方式的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在可靠性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、傳輸距離、傳輸速度及成本上。在蓄電池組測試系統(tǒng)中，CAN通信負(fù)責(zé)把BMS和蓄電池組控制模塊聯(lián)系起來，CAN總線接收BMS發(fā)來的電池的SOC、溫度及報(bào)警信號(hào)，輸送給蓄電池組控制模塊，蓄電池組控制模塊接收到數(shù)據(jù)后及時(shí)處理，實(shí)施對電池組的監(jiān)測控制。CAN通信方式節(jié)約了系統(tǒng)的物理空間，縮短了傳輸距離，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)[5]。

本設(shè)計(jì)中共擴(kuò)展設(shè)計(jì)了3路CAN總線通信方式。在主數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片TMS320F2812外設(shè)1路CAN接口通信，用于DSP和外電路的通信，在主控制器ARM芯片NXP1788外圍設(shè)計(jì)2路CAN接口通信。用于蓄電池組測試系統(tǒng)控制模塊之間的并聯(lián)。ARM芯片NXP1788外設(shè)中有一個(gè)增強(qiáng)型CAN總線控制器，使用CAN2.0B協(xié)議，可以擴(kuò)展設(shè)計(jì)2路CAN接口通信，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部CAN和外部CAN分開的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)兩路CAN接口，不同的波特率下進(jìn)行通信，分別設(shè)計(jì)外部CAN為500 bps，內(nèi)部CAN為1000 bps。TJA1040是3.3 VCAN總線收發(fā)器，具有差分收發(fā)作用。在收發(fā)器和CAN網(wǎng)絡(luò)間加個(gè)HCPL0600光耦形成隔離，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 接口板電路設(shè)計(jì)

在蓄電池組測試系統(tǒng)中控制模塊要完成對系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓、電流、溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測試系統(tǒng)的控制，根據(jù)采樣信號(hào)確定測試系統(tǒng)輸出的電壓和電流是否滿足要求，保證其為電池組充放電功能正常，采樣部分的接口電路功能由接口板來完成。

接口板將外部的24VDC電轉(zhuǎn)換為+5VDC、-5VDC、+15VDC、-15VDC后，為MCU板、接口板、驅(qū)動(dòng)板、外部傳感器及繼電器提供電源。接口板外部接受12路傳感器信號(hào)，對傳感器信號(hào)調(diào)理，并對傳感器信號(hào)進(jìn)行報(bào)警處理。接受MCU板的PWM波信號(hào)，并進(jìn)行抗干擾處理，接受MCU板發(fā)出的DO信號(hào)，進(jìn)行隔離放大處理，以驅(qū)動(dòng)外部繼電器；接受外部DI輸入信號(hào)，經(jīng)隔離處理后輸送到MCU板；接受驅(qū)動(dòng)板的IGBT故障信號(hào)，濾波處理后輸送到MCU板。

1）電壓檢測電路

蓄電池組測試系統(tǒng)的電壓檢測電路，分為交流電壓采樣和直流電壓采樣，交流電壓采樣是在交流變壓器副邊加采樣，監(jiān)測交流變壓器輸出的電壓是否正常，直流電壓采樣分為直流母線電壓采樣和輸出電壓采樣。直流母線電壓是經(jīng)整流后的直流母線電壓，是整合測試系統(tǒng)的穩(wěn)定直流電壓，也是輸出電壓的基礎(chǔ)電壓，輸出電壓是給蓄電池組充放電的電壓，關(guān)系到電池組的過充和過放狀態(tài)，也是準(zhǔn)確估算電池組SOC的重要依據(jù)。設(shè)計(jì)中要求電壓的采樣精度要高，選用電壓傳感器要準(zhǔn)確合適，因其原邊額定有效電流不能過大，所以在直流電壓輸出端與電壓傳感器輸入端間串接了一個(gè)大功率電阻，R132和R133都選用510 K電阻，R131和R130為并聯(lián)采樣電阻，對于100 V到1000 V的輸出電壓范圍，在經(jīng)常選用的幾種電壓傳感器，如CV3-500，CV3-1000等中本設(shè)計(jì)均選用1 K電阻即可使采樣值限制在10 mA之內(nèi)。

輸出電壓的采樣電路采集到的輸出電壓信號(hào)UO_M，輸入到運(yùn)算放大器INA128UA中，通過R136和R137阻值來配比放大系數(shù)，信號(hào)經(jīng)放大處理后電壓Uo_M經(jīng)過一次濾波，送入到比較電路中運(yùn)放的同相端，與設(shè)定好的值進(jìn)行比較，經(jīng)過判斷后的電壓值經(jīng)過放大后輸出，輸出后通過上拉電路匹配處理器的電平。交流輸入端的電壓采樣是三相電壓采樣，采樣兩個(gè)相位即可，分別是Uab和Uac，根據(jù)采樣值得大小確定變壓器的工作狀態(tài)和整個(gè)系統(tǒng)的輸入情況。直流母線電壓采樣要經(jīng)過多次采樣，DSP根據(jù)采樣值輸出不同占空比的PWM波，控制IGBT的開通和關(guān)斷，提升直流母線電壓值使其滿足輸出電壓的需要。輸出電壓采樣是直流電壓采樣，實(shí)時(shí)電壓監(jiān)控，當(dāng)檢測到的電壓大于設(shè)定的值時(shí)保護(hù)電路進(jìn)入工作模式，輸出3.3 V的高電平，輸出報(bào)警信號(hào)，測試系統(tǒng)停止輸出電壓。

2）電流檢測電路

蓄電池組測試系統(tǒng)的電流采樣包括交流側(cè)電流采樣和斬波側(cè)輸出電流采樣交流側(cè)側(cè)電流采樣是指輸入電流采樣，由測試系統(tǒng)的輸出額定電壓和輸出功率決定，斬波側(cè)電流采用包括輸出總電流采樣和輸出支路電流采樣，根據(jù)蓄電池組的SOC情況，決定充電電流的大小，所以蓄電池檢測系統(tǒng)對電流采樣的精確度、線性度誤差、溫飄及抗擾能力的要求均很高。充放電系統(tǒng)中采用LEM公司的LT208-S7/SP1電流傳感器，它是霍爾原理的電流傳感器，它的主要參數(shù)為：電源電壓15 V，5%，原邊額定輸入電流200AC/DC，可測的電流范圍0~200 A，次級(jí)額定電流50 mA，原邊額定電流和副邊額定電流比值200:100 A；其響應(yīng)時(shí)間小于10 ps；線性度小于±1％。該傳感器實(shí)際的輸出是將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量進(jìn)行處理，因所測的電流是正負(fù)交變的正弦量，而DSP處理的是正值數(shù)字量，為提供A／D采樣電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了外加電壓取樣電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。設(shè)計(jì)了運(yùn)算放大器，設(shè)定采樣電阻R601、R602，R623、R624的阻值，調(diào)節(jié)輸入電流信號(hào)使運(yùn)算放大器的輸入在一定的范圍內(nèi)。R607、R608為比例電阻，可以配比運(yùn)算放大器的比例系數(shù)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再經(jīng)過比較器TL082進(jìn)行過流報(bào)警，參考電壓為9 V，電流過流后電壓就超過參考值，輸出高電平，送CPLD處理后輸出報(bào)警信號(hào)。

3）溫度采樣電路

在蓄電池組測試系統(tǒng)給電池組進(jìn)行充放電過程中，IGBT的溫度變化比較大，特別在輸出功率較大時(shí)，溫度上升很快，有時(shí)來不及降溫，就超過了IGBT的臨界溫度值，導(dǎo)致IGBT爆炸，測試系統(tǒng)損壞，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測IGBT的溫度，成為測試系統(tǒng)的必要設(shè)計(jì)步驟。

本設(shè)計(jì)中選用PTC溫度開關(guān)來完成，PTC溫度開關(guān)在溫度到達(dá)一定值時(shí)自動(dòng)斷開，設(shè)計(jì)如圖6所示，利用串聯(lián)分壓的原理，將溫度開關(guān)并聯(lián)接在+15 V和GND之間的電阻R2兩端，溫度開關(guān)室常閉狀態(tài)，如果溫度在臨界值以下，溫度開關(guān)閉合R2兩端電壓為0，電壓信號(hào)經(jīng)電壓采樣電路把信號(hào)傳輸給CPLD、CPLD輸出正常的反饋信號(hào)；如果溫度達(dá)到路臨界值，溫度開關(guān)斷開，R2兩端電壓到達(dá)4.5 V，電壓信號(hào)傳輸給CPLD后，CPLD輸出報(bào)警信號(hào)，控制模塊報(bào)警，蓄電池組測試系統(tǒng)停止工作。

圖6 溫度開關(guān)控制電路示意圖

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

蓄電池組測試系統(tǒng)采用IGBT作為主電路器件，它可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，完成對蓄電池組的充放電功能，驅(qū)動(dòng)電路主要接受控制模塊發(fā)出的PWM波信號(hào)，將PWM波信號(hào)隔離放大后驅(qū)動(dòng)IGBT，并將IGBT的故障反饋發(fā)送到控制模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)過程中，選用驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力和穩(wěn)定性是電路設(shè)計(jì)的重要考量。本設(shè)計(jì)中選用M57962L芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，M57962L驅(qū)動(dòng)芯片具有以下性能：具備1200 V/200 A功率等級(jí)的IGBT驅(qū)動(dòng)能力；實(shí)現(xiàn)信號(hào)電路與功率電路的隔離；具備IGBT過流保護(hù)、過壓保護(hù)功能。

電路設(shè)計(jì)如圖7所示，驅(qū)動(dòng)電路選用QA03作為電源芯片，QA03把24 V電轉(zhuǎn)換為+15 V和-9 V提供給M57962L芯片，本設(shè)計(jì)中采用了隔離設(shè)計(jì)，每一路的電壓隔離開來，一個(gè)M57962L芯片對應(yīng)一個(gè)QA03電源，在驅(qū)動(dòng)電路板PCB設(shè)計(jì)中分開鋪銅，形成隔離，這樣一路驅(qū)動(dòng)芯片損壞不影響另外一路工作，增加整個(gè)電路的穩(wěn)定性。VDD5為控制模塊提供的+5 V參考電壓，連接M57962L的14腳，管腳13串接200歐姆電阻，輸出PWM波給IGBT模塊，M57962L的1、4、5管腳對應(yīng)IGBT模塊的C極、E極、G極。在C極和-9 V之間接穩(wěn)壓二極管1N4751單向穩(wěn)壓，防止IGBT的C極有反向電壓，在E極和G極之間接雙向穩(wěn)壓二極管1N4746，控制E極和G極之間雙向電壓都在一定范圍內(nèi)，保證IGBT的安全運(yùn)行。C極外接快恢復(fù)二極管MUR1100E起到續(xù)流二極管的作用，當(dāng)電感突然斷電或者電路中有過大電流時(shí)，電流會(huì)進(jìn)入續(xù)流二極管回來釋放掉，防止燒壞IGBT。本設(shè)計(jì)中采用兩塊M57962L芯片驅(qū)動(dòng)同一橋臂中的上管和下管的方式。這種驅(qū)動(dòng)方式充分利用了M57962L芯片完善的過流保護(hù)能力，同時(shí)有效降低成本。

IGBT管子的導(dǎo)通內(nèi)阻在正常電流范圍內(nèi)，其管壓降一般在3 V以內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，管壓降急劇上升，管子面臨擊穿損壞的危險(xiǎn)，本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路還能發(fā)出故障信號(hào)，保護(hù)IGBT模塊，通過M57962L芯片8管腳輸出信號(hào)給光耦器件，光耦器件反饋給主處理器的故障信號(hào)，上位機(jī)顯示硬件輸出過壓故障，整個(gè)測試系統(tǒng)停止運(yùn)行，樣起到對IGBT模塊快速有效的保護(hù)作用。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)軟件部分在CCS平臺(tái)中完成包括AD采樣、同步相角計(jì)算、SVPWM開關(guān)時(shí)間計(jì)算、DC-DC電壓電流環(huán)等模塊，其中PWM波輸出控制采用SVPWM調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊的控制，軟件程序固化在DSP芯片中后，DSP芯片作為控制模塊的主處理芯片，實(shí)現(xiàn)各路模擬量的采樣。模擬量采樣的波形可以再CCS軟件中模擬實(shí)現(xiàn)。示波器測量顯示的驅(qū)動(dòng)板后端輸出的不同占空比的PWM波形，不同占空比的PWM波控制IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的不同電流、電壓輸出。

本設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與pc之間的數(shù)據(jù)傳輸，提供人機(jī)操作界面，便于實(shí)現(xiàn)蓄電池的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理，通過ARM芯片LPC1788FBD與PC機(jī)通訊，把DSP采樣的數(shù)據(jù)，與BMS交換的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)在上位機(jī)軟件上顯示，并可以通過上位機(jī)軟件下載工藝管理蓄電池電池組，100 V、300 A、30 kW型號(hào)測試系統(tǒng)靜置轉(zhuǎn)300 A充電時(shí)的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到14.2 ms。測量中應(yīng)用了IT400電流傳感器采樣電流，負(fù)載端接10.026Ω電阻進(jìn)行采樣，其中IT400的變比為400 A: 200 mA，得到電壓1.53 V，轉(zhuǎn)換成電流值為300 A。給出了功率分析儀顯示的功率因數(shù)可以達(dá)到0.99，有效功率滿足蓄電池要求。

蓄電池組測試系統(tǒng)在電路中產(chǎn)生的諧波也是一項(xiàng)重要參數(shù)，由于傳輸電能的線路中對諧波的阻抗較大，如果諧波較大，諧波電流會(huì)在傳輸電線路中產(chǎn)生大量熱能，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)燒毀傳輸線路。在100 V、300 A、30 kW型號(hào)蓄電池組測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中對諧波情況進(jìn)行路測量，用能量質(zhì)量分析儀顯示的三相電諧波情況，均在5%以內(nèi)。

圖7 驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)

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A Hardware Design of Battery Testing Systerm

Wang Houlei, Shao Fei, Xiang Siyuan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion)

TM612

A

1003-4862（2019）03-0001-06

2018-09-28

王厚磊（1984-），男，工程師。研究方向：潛入式信息控制系統(tǒng)。E-mail: wanghoulei001@163.com