輕型鋰電車電機(jī)電池控制器設(shè)計(jì)

王海波,朱艷通,王永波,樊玉江,李傳祥,劉磊磊,李海鷹

(1.國能寧夏靈武發(fā)電有限公司,銀川 751400;2.浙江大學(xué)湖州研究院,湖州 313299;3.湖州師范學(xué)院,湖州 313000;4.浙江易藍(lán)科技有限公司,湖州 313300)

0 引 言

輕型電動(dòng)車因其綠色、低碳、輕便、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的特性,受到廣大消費(fèi)者的特別青睞,電動(dòng)滑板、電動(dòng)助力自行車、電動(dòng)踏板車等,更是短距離代步的時(shí)尚單品。兩輪電動(dòng)車的銷量從2017年的3 050萬輛增長到2022年的6 000萬輛,到2028年,我國兩輪電動(dòng)車的銷量將達(dá)到8 400萬輛[1-2]。

在輕型鋰電車系統(tǒng)中,動(dòng)力總成由電控、電池、電機(jī)三大核心部件組成[3-4]。研究者們提出了諸多功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的電機(jī)控制器[5]、電機(jī)[6-7]、電池[8]等,有力地促進(jìn)了電動(dòng)車的發(fā)展。

其中,控制器由主控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、編碼器信號(hào)處理、電流測量以及通信電路等組成,實(shí)現(xiàn)控制命令解析,電壓、電流、速度等參數(shù)監(jiān)測與顯示,過流過壓保護(hù),控制命令解析等功能[9-10]。

電池管理系統(tǒng)主要由主控芯片、電池信息監(jiān)測模塊、電池均衡模塊、充放電控制電路、系統(tǒng)電源模塊以及通信模塊組成[11-12],用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的使用狀態(tài)信息,并進(jìn)行及時(shí)有效的控制,避免錯(cuò)誤操作對電池的損害,提升電池的使用效能,延長使用壽命。

輕型鋰電車常用的電機(jī)為無刷直流電機(jī),它具有結(jié)構(gòu)簡單,效率高等優(yōu)點(diǎn)。輕型鋰電車用電機(jī)需要滿足最高轉(zhuǎn)速的要求,具有低速大扭矩的良好特性,兼顧高效率的性能要求[13-14]。

電機(jī)控制器、電機(jī)、電池管理單模塊智能化水平不斷提高[15],極大地促進(jìn)了輕型鋰電車的發(fā)展,提升了核心部件的智能化水平。但也出現(xiàn)了智能芯片重復(fù)使用的問題,如STM32被廣泛應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)和控制器,作為主控芯片[11]。此外,還存在多處模塊重復(fù)實(shí)現(xiàn)的問題,如過壓保護(hù)、過流保護(hù)模塊等。

為避免功能模塊的重復(fù)設(shè)計(jì),將輕型鋰電車作為整體,通過“三電合一”集成設(shè)計(jì),能夠有效地降低整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)成本,最高可以降低三分之二[1]。對于輕型鋰電車企業(yè)來說,通過“三電合一”降低研發(fā)成本成為未來輕型鋰電車輛的一大技術(shù)趨勢。

針對輕型鋰電車控制需求,本文設(shè)計(jì)了一款電機(jī)-電池一體化控制器。對電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)進(jìn)行功能分析,梳理出可合并設(shè)計(jì)的功能模塊,進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。首先,由中央處理模塊負(fù)責(zé)電機(jī)、電池以及控制器本身數(shù)據(jù)采集、控制指令生成與發(fā)布;其次,過流保護(hù)、穩(wěn)壓調(diào)壓模塊進(jìn)行合并設(shè)計(jì),降低電路的復(fù)雜度,減少使用器件的數(shù)量和成本。

1 電機(jī)電池控制器總體設(shè)計(jì)

電機(jī)電池控制器總體功能模塊如圖1所示。控制器主要由中央控制模塊、三相驅(qū)動(dòng)模塊、傳感模塊、過流保護(hù)模塊、穩(wěn)壓模塊、調(diào)壓模塊、接口模塊等組成。其中,中央控制模塊主要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)生成、傳感器信號(hào)處理等功能;驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)指令轉(zhuǎn)換;傳感模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓、電流、溫度、速度等參數(shù);過流保護(hù)模塊主要用于保護(hù)控制器電路抵御過流的沖擊;穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化狀態(tài)下電池電壓穩(wěn)定;調(diào)壓模塊控制各模塊用電需求,提供指定的電源;接口模塊主要包括控制和采集接口、電機(jī)電壓接口、編碼器接口等。

圖1 電機(jī)電池控制器總體功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案

分析兩輪輕型鋰電車首先對電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)的功能、接口、電氣特性進(jìn)行分析。通過一體化設(shè)計(jì),將電機(jī)控制器與電池管理系統(tǒng)集成得到一體化控制器中,使其具備對整個(gè)系統(tǒng)的控制能力。

電機(jī)電池控制器主要硬件設(shè)計(jì),通過接口與中央控制模塊實(shí)現(xiàn),主要包括電機(jī)三相驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)壓模塊、相電流采集、相電壓測量模塊、速度測量模塊、溫度采集、過流檢測、過流保護(hù)等模塊。

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊采用STM32F103C8T6作為控制核心的最小系統(tǒng)組成,外部擴(kuò)展電路組成主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制和電池的管理,用于控制信號(hào)生成和多類傳感器信號(hào)的采集與處理,如圖2所示。

圖2 中央控制核心電路

2.2 調(diào)壓模塊

采用48 V鋰電池作為整個(gè)系統(tǒng)的供電電源,通過分析,整個(gè)電路用電模塊的電壓主要有12 V,5 V,3.3 V。調(diào)壓電路主要有48 V～12 V、12 V～5 V、5 V～3.3 V三種調(diào)壓模塊。

48 V～12 V調(diào)壓模塊,48 V輸入電壓通過兩個(gè)并聯(lián)的大功率肖特基二極管,防止反接或者誤操作工況下更能很好地保護(hù)電路,得到POWER電源。接下來POWER電源分為兩路:一路為三相H橋功率管供電;另一路經(jīng)過LC濾波電路,輸出得到12 V電源,為驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)IC柵極供電,48 V～12 V調(diào)壓模塊電路如圖3所示。

圖3 48 V～12 V調(diào)壓模塊

電源12 V～5 V調(diào)壓模塊,12 V輸入通過濾波為DC-DC RY3825芯片供電,輸出5 V電源,主要為光耦、霍爾、編碼器電路供電以及驅(qū)動(dòng)邏輯電路供電,12 V～5 V調(diào)壓模塊電路如圖4所示。

圖4 12 V～5 V調(diào)壓模塊

圖5 5 V～3.3 V調(diào)壓模塊

電源5 V～3.3 V調(diào)壓模塊,3.3 V電源主要為運(yùn)放、比較器、模擬器提供電源。由于該類模擬器對電源紋波敏感,為了獲取精準(zhǔn)的電壓數(shù)據(jù),電源5 V輸入先通過MBR0520進(jìn)行濾波和整流,再通過濾波給DC-DC AMS1117芯片供電,輸出端輸出低紋波3.3 V電源,用于信號(hào)測量模塊供電,電路如圖 5所示。

同時(shí),在電源電路設(shè)計(jì)中,在電源輸入端加有過壓保護(hù)TVS管,對電源電路進(jìn)行更好的過壓保護(hù)。

2.3 驅(qū)動(dòng)控制模塊

驅(qū)動(dòng)控制電路主要由6路PWM控制信號(hào)、6路高速光耦、3片高低柵極邏輯控制驅(qū)動(dòng)芯片,6個(gè)MOS功率輸出管,5 V、12 V供電等模塊組成,如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)控制模塊

因?yàn)閁/V/W三相驅(qū)動(dòng)電路相同,只對U相電路進(jìn)行分析。在不同時(shí)刻,U相高低PWM信號(hào)PWM-UH和PWM-UL分別通過高速光耦芯片入柵極驅(qū)動(dòng)邏輯控制的輸入端HIN和LIN。當(dāng)MCU發(fā)出PWM波給PWM-UH,且SD=1時(shí),HIN=1,則IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)VB與HO導(dǎo)通,此時(shí)自舉電容相當(dāng)于電壓源,放電維持為GS供電,使得MOS管Q4導(dǎo)通。Q4導(dǎo)通,VS接近POWER,但電容兩極壓差無法突變,則電容上極電壓相當(dāng)于對地的壓差為POWER+12 V,若沒有二極管,電容電壓12 V會(huì)倒灌給電路,導(dǎo)致電路板燒毀。導(dǎo)通下橋臂時(shí),PWM-UL接收PWM波信號(hào),LIN=1,內(nèi)部結(jié)構(gòu)VCC與LO相連,則VGS=VCC,MOS管Q5導(dǎo)通。

PWM波輸入端采用高速光耦,為了防止輸出信號(hào)被上拉電阻拉高,HIN和LIN都為1,導(dǎo)致上下MOS管都被導(dǎo)通,POWER電源相當(dāng)于直接接地,會(huì)直接燒壞電源。因此,該電路能夠較好地保護(hù)電源和整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。

2.4 相電流測量模塊

相電流測量模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測三相電流,如圖7所示。在三相電流測量設(shè)計(jì)中,下半橋的MOS管的漏極串聯(lián)20功率采樣電阻到GND。當(dāng)有電流I通過采樣電阻時(shí),采樣電阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0.02 I的電壓。對U相電流采集分析,從采樣電阻采集的信號(hào)電壓為I_U。由于I_U的電壓值過小,ADC無法采集到該電壓值。采用使I_U經(jīng)過差分放大輸入到TP2412運(yùn)算放大器,且通過設(shè)置一個(gè)參考基準(zhǔn)電壓Vref,本文設(shè)置參考電壓為1.25 V。由電路知,差分放大倍數(shù)為β=6,而OUT_IU輸出信號(hào)為I_U×β+Vref。所以電流放大后的輸出OUT_IU=6×I_U+1.25V。當(dāng)ADC采集到I_U信號(hào)時(shí),就可以計(jì)算相電流I。

圖7 相電流測量模塊

2.5 相電壓測量模塊

為了解三相驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓情況,需要對相電壓進(jìn)行測量。從驅(qū)動(dòng)電路輸出端引出控制電機(jī)的U/V/W相電壓,由于相電壓過大,ADC采集電壓最高為3.3 V,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)分壓電路,如圖8所示,使其規(guī)范到ADC可采集的0～3.3 V電壓。

圖8 相電壓測量模塊

本文對U相電路進(jìn)行分析,采用串聯(lián)兩個(gè)10 kΩ和1 kΩ構(gòu)成分壓回路,并在1 kΩ位置作為相電壓采集處。這樣以ADC采集到最大電壓3.3 V為參考,則最大可以采集3.3 V×21=69.3 V的相電壓。相電壓分壓之后進(jìn)入TP2412運(yùn)算放大器,作為電壓跟隨器,增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力,再經(jīng)過RC低通濾波,降低高頻干擾,再由ADC采集OUT_VU電壓,再運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)際相電壓。

2.6 線電壓測量模塊

為了監(jiān)測電池相電壓的變化情況,及時(shí)進(jìn)行故障診斷和維護(hù), 確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行和穩(wěn)定性。LMV358內(nèi)部一個(gè)運(yùn)算放大器用于電壓采集,如圖9所示。先是通過分壓回路,將POWER的高電壓分壓為ADC采集的電壓范圍。再通過LM358放大器作為電壓跟隨器,從而從輸出端得到電壓值為ADC_V=POWER/(R118+R117R119)×R121,當(dāng)ADC采集到ADC_V電壓就可以計(jì)算出POWER電壓。

圖9 線電壓測量模塊

2.7 溫度測量模塊

溫度測量模塊是由熱敏電阻和運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器組成,如圖10所示。

圖10 溫度測量模塊

在電路中需要采集ADC_W電壓,即以下公式中Vw電壓,再通過供電電壓,可求得熱敏電阻Rt阻值。當(dāng)ADC采集到ADC_W電壓,再結(jié)合溫度公式與熱敏電阻Rt的阻值關(guān)系式,可以求得溫度值。

電壓和電阻之間的關(guān)系如下:

Vw=3.3×4 700/(Rt+4 700)

得:

Rt=4 700×3.3/Vw-4 700

根據(jù)計(jì)算Rt的溫度公式:

T=1/[ln(Rt/R0)/B+1/T1]

式中:Rt為熱敏電阻在當(dāng)前溫度的阻值;R0為熱敏電阻在T1常溫下的標(biāo)稱阻值;T1為熱敏電阻在常溫下的溫度;B為熱敏電阻的溫度系數(shù)。

2.8 速度測量模塊

速度測量模塊用于實(shí)時(shí)獲得速度信息,作為運(yùn)動(dòng)控制的反饋控制參數(shù),速度參數(shù)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵車輛狀態(tài)信息,采用無刷直流電機(jī)中自帶的霍爾傳感器,通過霍爾傳感器實(shí)際測量的轉(zhuǎn)速值與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較,將其差值進(jìn)行PID處理運(yùn)算,從而得出輸出變量的增量進(jìn)行控制與反饋。如圖11所示。

圖11 速度測量模塊

2.9 過流檢測模塊

過流檢測是由LMV393構(gòu)建成的遲滯比較電路進(jìn)行過流檢測,更好地防止電流過大而導(dǎo)致電路燒毀和電機(jī)損壞。過流檢測電路如圖12所示。

圖12 過流測量模塊

僅對U相分析。遲滯比較電路以2.5 V作為同相位基準(zhǔn)電壓,R84為10 kΩ,R85為510 kΩ,VCC為3.3 V,再根據(jù)三相采集電流的基準(zhǔn)電壓1.25 V,便可計(jì)算出遲滯比較電流ΔI=0.5 A作為閾值電流。當(dāng)OUT_IU=2.5 V,即實(shí)際電流I為10.4 A,剛好達(dá)到過流檢測的基準(zhǔn)電壓,但因其為是遲滯電路,會(huì)形成一個(gè)閾值范圍,在范圍內(nèi)輸出狀態(tài)不改變。而當(dāng)OUT_IU大于10.4 A+0.5 A時(shí),則會(huì)觸發(fā)過流檢測,輸出狀態(tài)改變,OC_OUT輸出被拉低。

2.10 過流保護(hù)模塊

過流保護(hù)是由MCU控制板的控制開關(guān)信號(hào)OC_SD以及過流檢測輸出信號(hào)OC_OUT兩個(gè)輸入信號(hào)控制柵極驅(qū)動(dòng)IC的使能開關(guān)IN,進(jìn)而影響三相H橋的工作狀態(tài)。如圖13所示,只有當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)均為1時(shí),輸出端才為0。

圖13 過流保護(hù)模塊

當(dāng)驅(qū)動(dòng)板沒有過流時(shí),OC_OUT輸出狀態(tài)為1,三極管導(dǎo)通,光耦引腳2接地。同時(shí),控制板給OC_SD輸入端一個(gè)高電平信號(hào),OC_SD為1,則高速光耦導(dǎo)通,IN輸出端通過電路輸出低電平信號(hào),柵極驅(qū)動(dòng)IC使能打開,控制三相驅(qū)動(dòng)電路正常工作。當(dāng)發(fā)生過流時(shí),OC_OUT輸出端被拉低,輸出狀態(tài)為0,三極管不導(dǎo)通,高速光耦不工作,IN被上拉,輸出狀態(tài)為1,柵極驅(qū)動(dòng)IC使能關(guān)斷,不能控制三相驅(qū)動(dòng)電路正常工作。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證一體化電機(jī)電池控制器的性能,搭建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),如圖14所示。試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)主要由電機(jī)、電池和一體化控制器組成。其中ATK-BL57H95D20E電機(jī)參數(shù)如表1所示,鋰電池最大電壓為48 V,最大電流為7.5 A。

表1 ATK-BL57H95D20E電機(jī)主要參數(shù)

圖14 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

3.1 電池管理模塊測試

在接通電源之后,用萬用表和示波器對電源電壓進(jìn)行測量,測量結(jié)果如圖15所示。以一格表示2 V為基準(zhǔn),12 V降壓電路輸出電壓為2×6+0.4×1=12.4 V,萬用表測量電壓為12.56 V,符合驅(qū)動(dòng)IC的供電要求。

圖15 12 V電壓測量波形

如圖16所示,5 V降壓電路輸出電壓為2×2+0.4×3=5.2 V,萬用表測量電壓為5.12 V,符合各電路功能的供電要求。

圖16 5 V電壓波形

如圖17所示,3.3 V降壓電路輸出電壓為2×1+0.4×3=3.2 V,萬用表測量電壓為3.31 V,符合運(yùn)算放大器的供電要求。

圖17 3.3 V電壓波形

3.2 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊測試

對電機(jī)速度的控制,采用增量式PID進(jìn)行控制。通過霍爾傳感器實(shí)際測量的轉(zhuǎn)速值與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較,將其差值進(jìn)行PID處理運(yùn)算,輸出變量的增量。設(shè)定電機(jī)空載運(yùn)行,設(shè)定轉(zhuǎn)速為400 r/min,速度響應(yīng)曲線如圖18所示。

圖18 速度響應(yīng)曲線

電機(jī)轉(zhuǎn)速從0連續(xù)以400 r/min遞增至2 000 r/min,之后遞減為0,其速度變化以及速度響應(yīng),如圖19所示。

圖19 速度變化曲線

3.3 三相電流測量模塊測試

為了解電池的工作狀態(tài),對電池流入電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。設(shè)定電機(jī)在PID控制下工作在轉(zhuǎn)速為400 r/min的空載狀態(tài),對單相U相進(jìn)行電流監(jiān)測。可以看出,電流雖然處于一定的波動(dòng),但也一直在波動(dòng)誤差范圍內(nèi),電流曲線如圖20所示。

圖20 U相電流曲線

測量U相電流、V相電流、W相電流的總電流,以便更好地監(jiān)測電池電流輸入量。設(shè)定電機(jī)在PID控制下工作在轉(zhuǎn)速為400 r/min的空載狀態(tài),對相電流進(jìn)行電流監(jiān)測。可以看出,相電流在總體上趨于穩(wěn)定趨勢,如圖21所示。

圖21 三相電流測量結(jié)果

3.4 電壓測量模塊測試

為實(shí)時(shí)監(jiān)測電池相電壓的變化情況,設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為0,通過ADC信號(hào)采集并在程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在串口通信中反饋電壓為23.7 V。而通過示波器測出相電壓電路中運(yùn)算放大器的輸出端電壓為500 mV×1+4.5×100 mV=0.95 V。通過實(shí)際電壓換算公式可得23.75 V。兩者誤差為0.05,誤差符合要求,如圖22所示。

圖22 電壓測量結(jié)果

3.5 溫度測量模塊測試

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為0,通過ADC信號(hào)采集并在程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在串口通信數(shù)據(jù)中反饋溫度為29.6 ℃。而通過示波器測得溫度采集電路中運(yùn)算放大器的輸出端電壓為500 mV×2+1×100 mV=1.1 V。通過實(shí)際溫度換算公式得知30.1 ℃。兩者誤差為0.5 ℃,誤差符合要求,如圖23所示。

圖23 溫度測量結(jié)果

設(shè)定在空載條件下,轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí),系統(tǒng)數(shù)據(jù)總界面,如圖24所示。

圖24 數(shù)據(jù)界面

4 結(jié) 語

針對新型鋰電車對一體化控制的應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了一種電機(jī)-電池控制器。由中央處理模塊負(fù)責(zé)電機(jī)、電池、以及控制器狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理、控制指令生成與發(fā)布。其次,過流保護(hù)、穩(wěn)壓調(diào)壓模塊進(jìn)行合并設(shè)計(jì),降低電路的復(fù)雜度,減少使用器件的數(shù)量和成本。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,調(diào)壓模塊的輸出電壓,滿足控制器各組件的供電需求,能夠較好地完成對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制,控制響應(yīng)及時(shí)。電流、電壓、溫度等重要參數(shù)測量準(zhǔn)確,滿足控制器應(yīng)用需求。后續(xù)還需對控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升性能指標(biāo),同步開展穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等測試,提升控制的魯棒性和實(shí)用性。