雷代良

(中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

公路貨運汽車由于載重大、運距長,若單靠動力電池驅動(純電動)實現(xiàn)電動化,車輛需要配置的電池電量太大,既擠占運貨空間,又增加電池成本,同時還需停車充電,續(xù)駛里程受限,影響運輸效率。而采用電氣化公路這種新型的公路貨運方式,則能解決以上問題。電氣化公路貨車相比純電動貨車具有電池容量小(如某同噸位的純電動貨車的電池容量為900 kW·h,電氣化公路貨車只需配置190.51 kW·h的電池)、電壓高、動力電池及其他電氣與專用線網直接連接實現(xiàn)邊走邊充電、線網與大地存在耦合等效電容等特點,因此對相關系統(tǒng)的絕緣耐壓和可靠性提出了更高要求。

1 電氣化公路貨車介紹

我國首條電氣化公路示范線在湖南省株洲市,實現(xiàn)了重載公路貨運新方式。電氣化公路貨車如圖1所示,該車為半掛牽引車,整車尺寸為7 435 mm×2 550 mm×3 805 mm,整備質量11 t,總質量≤49 t。動力電池配置為550.62 V/346 Ah/190.51 kW·h。

圖1 電氣化公路貨車

電氣化公路貨車是通過在公路上方架設專用的直流線網進行供電[1-2],車輛的動力來源于兩部分(如圖2所示):一部分是通過受電弓獲取上方專用直流線網(本系統(tǒng)1 500 V)的電,經過非隔離DC/DC變壓至500～600 V供電機控制器驅動電機,同時可給車上的動力電池充電;另一部分是車輛上裝載的動力電池,在沒有專用電網或降弓時,動力電池可供車輛短距離行駛。當車輛制動時,動力電池可回收制動能量。

圖2 電氣化貨車電氣拓撲

本文DC/DC是非隔離型,可將從受電弓接收到的1 500 V電降壓至500～600 V供電氣件用電和給電池充電,VCU根據(jù)當前車輛的需求情況通過CAN發(fā)送給DC/DC控制當前的輸出電流和電壓。由于DC/DC是非隔離型,因此需要對整車所有電氣部件的耐壓按1 500 V進行系統(tǒng)設計。

本文旨在設計一款絕緣耐壓高(簡稱高耐壓)全溫度采集的電池管理系統(tǒng)。高壓與車身低壓部分之間按耐壓5 750 VAC進行設計,因電氣化公路貨車暫無相關標準,而純電動貨車絕緣耐壓是按2 500 VAC進行設計,不滿足電氣化公路貨車的絕緣耐壓要求,因此參考CJ/T 5008—1993《無軌電車試驗方法》[3],按耐壓試驗電壓(AC2.5U+2000)進行設計;電池管理系統(tǒng)對電池包內每一只電芯及電連接點的溫度進行監(jiān)測(簡稱全溫度采集),以提高動力電池系統(tǒng)的安全可靠性。

2 高耐壓BMS方案設計

2.1 總體方案

因每一級的隔離能力為2 500 VAC,純電動貨車只需一級隔離即可滿足要求[4]。而電氣化公路貨車需要滿足5 750 VAC耐壓隔離,所以需設計三級隔離電路來共同實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)低壓部分(24 V)與高壓部分的耐壓隔離,其中每一級都為2 500 VAC。

2.2 第一級隔離電路設計

第一級隔離電路主要由網絡隔離變壓器T1實現(xiàn),T1通過磁感應將信號由原邊傳遞到副邊,如圖3所示。T1兩端增加電阻電容起到濾波抗干擾的作用[5],T1的原邊連接到電池管理系統(tǒng)采集芯片高壓部分的兩線制SPI菊花鏈的通信線(ILM、ILP)上;T1的副邊連接至第二級隔離電路的原邊線(ILM1、ILP1)上,實現(xiàn)第一次耐壓隔離。該網絡隔離變壓器可承受2 500 VAC耐壓,頻率為2 MHz。

圖3 第一級隔離電路

2.3 第二級隔離電路設計

第二級隔離電路主要由網絡隔離變壓器T2實現(xiàn),同樣,T2通過磁感應將信號由原邊傳遞到副邊,如圖4所示。T2兩端增加電阻電容起到濾波抗干擾的作用,T2的原邊連接到第一級隔離電路T1的副邊(ILM1、ILP1)上,T2的副邊連接至二線轉四線SPI電路線(A_N、A_P)上,實現(xiàn)第二次耐壓隔離。該網絡隔離變壓器可承受2 500 VAC耐壓,頻率為2 MHz。

圖4 第二級隔離電路

2.4 第三級隔離電路設計

第三級隔離電路主要由一個二線轉四線SPI電路和一個光電隔離電路組成。二線轉四線電路是將二線制的SPI信號轉換成四線制的SPI信號,如圖5所示。輸入端連接到第二級隔離電路的副邊(A_N、A_P)上,經過LTC6820IMS轉換為四線制SPI信號,輸出端再連接到數(shù)字光電隔離電路的原邊(A1、A2、A3、A4)上。

圖5 二線轉四線SPI電路

光電隔離電路是將四線SPI信號通過光電隔離器進行信號隔離,隔離耐壓為2 500 VAC,如圖6所示。數(shù)字光電隔離電路的輸入端連接到二線轉四線SPI電路的輸出端(CS、SCK、MISO、MOSI)上,光電隔離器通過光電感應將信號由原邊傳遞到副邊(B1、B2、B3、B4),光電隔離器的副邊連接到主芯片MPU的四線SPI上,實現(xiàn)第三次耐壓隔離。

圖6 光電隔離電路

經過上述三級隔離,最高耐壓可達到7 500 VAC,經過實際測試與應用,能夠保證滿足5 750 VAC耐壓要求。

3 全溫度采集BMS方案設計

3.1 總體方案

全溫度采集BMS電路[6-7]由溫度采集電路、全溫度采集通道選擇電路、溫度模數(shù)轉換電路芯片組成。由于溫度模數(shù)轉換芯片采集通道有限,通常情況下芯片采集通道一般不超過6路。本項目中采用的芯片為LTC6813,溫度采集通道為4路,無法實現(xiàn)對所有單體電芯及連接點的溫度采集。因此,需要設計一款能夠擴展多路溫度采集電路來滿足系統(tǒng)中多電芯、多電氣連接點的所有溫度點采集,以確保系統(tǒng)的安全。

3.2 溫度采集電路設計

本方案溫度采集電路如圖7所示。外部溫度傳感器經過R1連接至VREF引腳,R1的作用是與外部溫度傳感器進行分壓;溫度采集點TEMP通過穩(wěn)壓二極管D0、電容C0濾波[8]限壓后,再經過R0限流連接至溫度采集通道選擇電路的輸入引腳。

圖7 溫度采集輸入電路

3.3 全溫度采集通道選擇及模數(shù)轉換電路設計

溫度采集通道選擇電路是通過采用多通道模擬多路復用器經過片選實現(xiàn),如圖8所示。多通道模擬多路復用器A、B引腳接至電池監(jiān)控單元采集芯片LTC6813的GPIO6、GPIO5引腳,通過采集芯片GPIO6、GPIO5引腳的高低電平進行通道的選擇;多通道模擬多路復用器A的1Y0-1Y3、2Y0-2Y3連接至溫度采集電路IN0-IN7引腳,多通道模擬多路復用器B的1Y0-1Y3、2Y0-2Y3連接至溫度采集電路IN8-IN15引腳,實現(xiàn)對16個溫度采集點數(shù)據(jù)的獲取;多通道模擬多路復用器A的1-COM引腳及2-COM引腳接至電池監(jiān)控單元采集芯片GPIO1、GPIO2引腳,通道模擬多路復用器B的1-COM引腳及2-COM引腳接至電池監(jiān)控單元采集芯片GPIO3、GPIO4引腳,將多通道模擬多路復用器的采集數(shù)據(jù)接至模數(shù)轉換采集芯片。多通道模擬復用器可采用多個,實現(xiàn)更多單體電芯的溫度采集,本方案采用2個多通道模擬多路復用器,實現(xiàn)對16個單體電芯的溫度采集。

圖8 溫度采集通道選擇電路

在原有通用溫度采集方案的基礎上,加入溫度采集通道選擇電路,電路簡單可靠,溫度采集通道選擇電路無需其他額外的隔離電路,降低了電路的成本,通過擴展多路溫度采集,可實現(xiàn)對所有電芯及電氣連接點的溫度采集,進一步提升了動力電池系統(tǒng)使用的安全性[9]。

4 結束語

電氣化公路貨車配置的動力電池系統(tǒng),具有電壓平臺高、長期與線網高壓連接、線網與大地共地等特點,因此對電池管理系統(tǒng)的安全性和可靠性也提出了更高的要求[10]。提高電池管理系統(tǒng)高、低壓部分之間耐壓隔離和所有電芯、電連接點溫度監(jiān)控的全覆蓋,確保了整車的安全性和可靠性。