具有高耐壓全溫度采集的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷代良

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

公路貨運(yùn)汽車由于載重大、運(yùn)距長,若單靠動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)(純電動(dòng))實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化,車輛需要配置的電池電量太大,既擠占運(yùn)貨空間,又增加電池成本,同時(shí)還需停車充電,續(xù)駛里程受限,影響運(yùn)輸效率。而采用電氣化公路這種新型的公路貨運(yùn)方式,則能解決以上問題。電氣化公路貨車相比純電動(dòng)貨車具有電池容量小(如某同噸位的純電動(dòng)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(dòng)力電池及其他電氣與專用線網(wǎng)直接連接實(shí)現(xiàn)邊走邊充電、線網(wǎng)與大地存在耦合等效電容等特點(diǎn),因此對(duì)相關(guān)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(shí)現(xiàn)了重載公路貨運(yùn)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(zhì)量11 t,總質(zhì)量≤49 t。動(dòng)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(shè)專用的直流線網(wǎng)進(jìn)行供電[1-2],車輛的動(dòng)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(wǎng)(本系統(tǒng)1 500 V)的電,經(jīng)過非隔離DC/DC變壓至500～600 V供電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī),同時(shí)可給車上的動(dòng)力電池充電;另一部分是車輛上裝載的動(dòng)力電池,在沒有專用電網(wǎng)或降弓時(shí),動(dòng)力電池可供車輛短距離行駛。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí),動(dòng)力電池可回收制動(dòng)能量。

圖2 電氣化貨車電氣拓?fù)?/p>

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(dāng)前車輛的需求情況通過CAN發(fā)送給DC/DC控制當(dāng)前的輸出電流和電壓。由于DC/DC是非隔離型,因此需要對(duì)整車所有電氣部件的耐壓按1 500 V進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文旨在設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì),因電氣化公路貨車暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),而純電動(dòng)貨車絕緣耐壓是按2 500 VAC進(jìn)行設(shè)計(jì),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(yàn)方法》[3],按耐壓試驗(yàn)電壓(AC2.5U+2000)進(jìn)行設(shè)計(jì);電池管理系統(tǒng)對(duì)電池包內(nèi)每一只電芯及電連接點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(簡稱全溫度采集),以提高動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全可靠性。

2 高耐壓BMS方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

因每一級(jí)的隔離能力為2 500 VAC,純電動(dòng)貨車只需一級(jí)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(shè)計(jì)三級(jí)隔離電路來共同實(shí)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(jí)都為2 500 VAC。

2.2 第一級(jí)隔離電路設(shè)計(jì)

第一級(jí)隔離電路主要由網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器T1實(shí)現(xiàn),T1通過磁感應(yīng)將信號(hào)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(jí)隔離電路的原邊線(ILM1、ILP1)上,實(shí)現(xiàn)第一次耐壓隔離。該網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器可承受2 500 VAC耐壓,頻率為2 MHz。

圖3 第一級(jí)隔離電路

2.3 第二級(jí)隔離電路設(shè)計(jì)

第二級(jí)隔離電路主要由網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器T2實(shí)現(xiàn),同樣,T2通過磁感應(yīng)將信號(hào)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(jí)隔離電路T1的副邊(ILM1、ILP1)上,T2的副邊連接至二線轉(zhuǎn)四線SPI電路線(A_N、A_P)上,實(shí)現(xiàn)第二次耐壓隔離。該網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器可承受2 500 VAC耐壓,頻率為2 MHz。

圖4 第二級(jí)隔離電路

2.4 第三級(jí)隔離電路設(shè)計(jì)

第三級(jí)隔離電路主要由一個(gè)二線轉(zhuǎn)四線SPI電路和一個(gè)光電隔離電路組成。二線轉(zhuǎn)四線電路是將二線制的SPI信號(hào)轉(zhuǎn)換成四線制的SPI信號(hào),如圖5所示。輸入端連接到第二級(jí)隔離電路的副邊(A_N、A_P)上,經(jīng)過LTC6820IMS轉(zhuǎn)換為四線制SPI信號(hào),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(zhuǎn)四線SPI電路

光電隔離電路是將四線SPI信號(hào)通過光電隔離器進(jìn)行信號(hào)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(zhuǎn)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(yīng)將信號(hào)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(shí)現(xiàn)第三次耐壓隔離。

圖6 光電隔離電路

經(jīng)過上述三級(jí)隔離,最高耐壓可達(dá)到7 500 VAC,經(jīng)過實(shí)際測試與應(yīng)用,能夠保證滿足5 750 VAC耐壓要求。

3 全溫度采集BMS方案設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換電路芯片組成。由于溫度模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàng)目中采用的芯片為LTC6813,溫度采集通道為4路,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有單體電芯及連接點(diǎn)的溫度采集。因此,需要設(shè)計(jì)一款能夠擴(kuò)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(diǎn)的所有溫度點(diǎn)采集,以確保系統(tǒng)的安全。

3.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

本方案溫度采集電路如圖7所示。外部溫度傳感器經(jīng)過R1連接至VREF引腳,R1的作用是與外部溫度傳感器進(jìn)行分壓;溫度采集點(diǎn)TEMP通過穩(wěn)壓二極管D0、電容C0濾波[8]限壓后,再經(jīng)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(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

溫度采集通道選擇電路是通過采用多通道模擬多路復(fù)用器經(jīng)過片選實(shí)現(xiàn),如圖8所示。多通道模擬多路復(fù)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(jìn)行通道的選擇;多通道模擬多路復(fù)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(fù)用器B的1Y0-1Y3、2Y0-2Y3連接至溫度采集電路IN8-IN15引腳,實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)溫度采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取;多通道模擬多路復(fù)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(fù)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(fù)用器的采集數(shù)據(jù)接至模數(shù)轉(zhuǎn)換采集芯片。多通道模擬復(fù)用器可采用多個(gè),實(shí)現(xiàn)更多單體電芯的溫度采集,本方案采用2個(gè)多通道模擬多路復(fù)用器,實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)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(chǔ)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(kuò)展多路溫度采集,可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電芯及電氣連接點(diǎn)的溫度采集,進(jìn)一步提升了動(dòng)力電池系統(tǒng)使用的安全性[9]。

4 結(jié)束語

電氣化公路貨車配置的動(dòng)力電池系統(tǒng),具有電壓平臺(tái)高、長期與線網(wǎng)高壓連接、線網(wǎng)與大地共地等特點(diǎn),因此對(duì)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(diǎn)溫度監(jiān)控的全覆蓋,確保了整車的安全性和可靠性。