高精度電壓電流采集管理單元設(shè)計(jì)　

作者 / 孫君起 呂少峰 田云芳

　　洛陽(yáng)寶盈智控科技有限公司(河南 洛陽(yáng) 471003)

　　孫君起(1983-)，男，研發(fā)工程師，研究方向：鋰電池 BMS 技術(shù);呂少鋒，男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：新能源汽車技術(shù);田云芳，男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：嵌入式技術(shù)。

摘要：為了在項(xiàng)目應(yīng)用中更加細(xì)化、模塊化產(chǎn)品，將系統(tǒng)總電壓、總電流、絕緣監(jiān)測(cè)三個(gè)部分功能從主控管理單元中分離出來(lái)做成一個(gè)獨(dú)立的管理單元。電壓電流采集管理單元(Volt Current Management System，以下簡(jiǎn)稱VCMU)作為系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)獨(dú)立單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)總電壓、總電流、絕緣監(jiān)測(cè)三個(gè)方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進(jìn)行采集，為了更好地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，預(yù)留2路溫度采集，用于監(jiān)測(cè)分流器的溫度。同時(shí)，VCMU預(yù)留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據(jù)需要增加霍爾電流檢測(cè)。

引言

　　電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是用來(lái)監(jiān)測(cè)和管理電池組安全工作，從而提高電池的使用效率，使電池組能更好、更穩(wěn)定地工作，降低其運(yùn)行成本，增加使用壽命，延長(zhǎng)續(xù)航里程，從而提高電池組的可靠性以及整車的安全性。

　　BMS最基本及重要的功能是檢測(cè)電池參數(shù)，是有效管理及控制電池的基礎(chǔ)，充放電優(yōu)化、SoC估計(jì)、熱管理及安全故障報(bào)警等都是以檢測(cè)電池基本參數(shù)為依據(jù)的。管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的單體電池電壓、充放電電流、總電壓以及溫度等參數(shù)。

　　目前，電池組及電池管理系統(tǒng)都是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。無(wú)論是電池電壓、電流及溫度的測(cè)量精度，還是電池剩余電量的估算，在實(shí)際應(yīng)用中都對(duì)電池管理系統(tǒng)有重要的影響。

　　電池管理系統(tǒng)(BMS)主要包含以下幾個(gè)模塊：

　　a)對(duì)電池組單體電壓策略、電池組溫度測(cè)量;

　　b)對(duì)電池組總電流和總電壓檢測(cè);

　　c)根據(jù)電池組的基本參數(shù)完成電池組剩余電量的估計(jì);

　　d)完成對(duì)電池組的充放電管理，達(dá)到保護(hù)電池組的目的;

　　e)電池組的充電均衡;

　　f)電池組的熱管理;

　　g)配備與車載中央控制系統(tǒng)的通信接口。

　　為了在項(xiàng)目應(yīng)用中更加細(xì)化、模塊化產(chǎn)品，將系統(tǒng)總電壓、總電流和絕緣監(jiān)測(cè)三個(gè)部分功能從主控管理單元中分離出來(lái)，做成一個(gè)獨(dú)立的管理單元。電壓電流采集管理單元作為系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)獨(dú)立單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)總電壓、總電流和絕緣監(jiān)測(cè)三個(gè)方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進(jìn)行采集，為了更好地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，預(yù)留2路溫度采集，用于監(jiān)測(cè)分流器的溫度。同時(shí)VCMU預(yù)留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據(jù)需要增加霍爾電流檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

　　VCMU獨(dú)立實(shí)現(xiàn)電池組總電壓、總電流檢測(cè)、溫度采集(如需)及絕緣檢測(cè)，VCMU把測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)總處理單元。VCMU原理框圖如圖1所示。

1.1.1 VCMU主要技術(shù)指標(biāo)

　　VCMU設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.1.2 VCMU接口功能定義

　　根據(jù)VCMU功能需求，VCMU應(yīng)具有2路電流檢測(cè)接口、1路絕緣檢測(cè)接口、6路總電壓檢測(cè)接口、1路CAN通信接口和1路供電接口。具體接口功能定義見表2。

1.2 VCMU硬件設(shè)計(jì)

　　微控制器采用MC9S12G128系列單片機(jī)，具有16KB FLASH，1KB SRAM，主頻達(dá)50MHz，可以滿足VCMU數(shù)據(jù)處理的需要。

1.2.1 總電壓測(cè)量

　　總電壓采集功能通過(guò)高精度電阻分壓、信號(hào)調(diào)理、16位ADC采樣后送入單片機(jī)。本系統(tǒng)采用ADS1110專用ADC采樣芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總電壓信號(hào)的采集。

　　ADS1110芯片為帶參考電壓的16位高精度ADC采樣芯片，溫漂最大為5ppm/℃，供電電壓為2.7V到5.5V;采樣速率可設(shè)定，范圍為15SPS到240SPS。

　　ADS1110與MC9S12G128系列單片機(jī)通過(guò)I2C接口進(jìn)行通訊，將采集的電池總電壓測(cè)量值傳送給主控單片機(jī)。ADS1110與單片機(jī)連接方式如圖2所示。

1.2.2 總電流測(cè)量

　　總電流采集功能通過(guò)分流器方式采樣電流，通過(guò)專用芯片對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送給單片機(jī)，項(xiàng)目應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況選用LEM。

1.2.3 絕緣監(jiān)測(cè)

　　我國(guó)電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用絕緣電阻來(lái)衡量電動(dòng)汽車的絕緣狀況。動(dòng)力蓄電池的絕緣電阻定義為：如果動(dòng)力蓄電池與地(車底盤)之間的某一點(diǎn)短路，最大(最壞情況下)泄露電流所對(duì)應(yīng)的電阻。

　　電橋式絕緣監(jiān)測(cè)不收接地電容的影響，監(jiān)測(cè)速度快。低頻信號(hào)注入法隨可以檢測(cè)爽極接地，但是注入的低頻信號(hào)增加了直流電壓的波紋，影響供電質(zhì)量，且分布電容會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，使分辨率降低。

　　本方案的絕緣檢測(cè)采用平衡電橋法。在正負(fù)母線與地之間接入一系列的電阻，通過(guò)電子開關(guān)切換接入電阻的大小，測(cè)量不同接入電阻下正負(fù)母線在被測(cè)電阻上的分壓值，結(jié)合方程式解出正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻。

1.2.4 CAN通信

　　CAN通信采用單片機(jī)自帶的CAN控制器加外圍電路實(shí)現(xiàn)。

1.2.5 系統(tǒng)供電

　　系統(tǒng)供電電源采用隔離供電。選用金升陽(yáng)隔離電源模塊為系統(tǒng)供電。

1.3 VCMU軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 MCU

　　微控制器采用飛思卡爾MC9S12G128，主頻最高可達(dá)50MHz，F(xiàn)LASH容量128KB，RAM容量8KB，E2PROM容量4KB，包括1路MSCAN，3路SPI，3路SCI。

1.3.2 軟件平臺(tái)

　　軟件平臺(tái)采用μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)從控單元的功能需求，以μCOS-II任務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)各功能，主要功能包括電壓、電流、溫度采集任務(wù)、絕緣電阻處理任務(wù)、CAN通信任務(wù)和運(yùn)行燈指示任務(wù)，其中部分任務(wù)之間需要采用系統(tǒng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信和同步，以實(shí)現(xiàn)功能需求，CIMU軟件平臺(tái)功能框圖如圖3所示。

1.3.3 軟件總流程

　　VCMU單元上電后，依次進(jìn)行時(shí)鐘初始化、GPIO初始、FLASH初始化、定時(shí)器初始化、I2C初始化、CAN初始化等，如圖4所示。其中，需要對(duì)時(shí)鐘初始、FLASH初始化、I²C初始化、CAN初始化的結(jié)果進(jìn)行判斷，保證自身運(yùn)行的可靠性，若初始化異常，則異常處理。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.4.1 高壓隔離技術(shù)

　　VCMU在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)遇到工作電壓高、干擾強(qiáng)的環(huán)境，影響產(chǎn)品可靠工作。MCMU在設(shè)計(jì)上采用隔離方案，首先，電路板內(nèi)部采用DC/DC隔離后為MCU及其他電路供電;其次，與電池直接相連的部分也采用隔離設(shè)計(jì)，并且總電壓、總電流、絕緣檢測(cè)部分采用物理隔離+電氣隔離的雙重隔離方法確保產(chǎn)品安全;同時(shí)產(chǎn)品其他的輸入、輸入端口也都采用隔離設(shè)計(jì)。

1.4.2 通信抗干擾技術(shù)

　　通訊線束在設(shè)計(jì)上采用屏蔽雙絞線加外屏蔽的方法進(jìn)行處理，而且在CAN通訊網(wǎng)路的兩個(gè)終端加120Ω匹配電阻，增強(qiáng)CAN通訊的可靠性。

1.5 材料、部件選型

　　VCMU主要從模塊芯片、接插件及線纜和外殼結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

1.5.1 模塊芯片選型

　　VCMU各模塊選用國(guó)際知名品牌芯片，如Freescale、TI、MAXIM等，電源模塊選用金升陽(yáng)隔離電源產(chǎn)品。BMS主要部件型號(hào)見表3。

1.5.2 接插件及線纜選型

　　參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用日本JAE公司的高品質(zhì)接插件IL-AG5系列。IL-AG5系列為高可靠性的板對(duì)線應(yīng)用系列，2.5mm管腳間距，設(shè)計(jì)有可靠的機(jī)械鎖止裝置，系列可選管腳數(shù)較多，單/雙排可選，管腳數(shù)4到30可選。電氣性能主要為：1000VACrms@1min，電流3A，絕緣電阻100MΩ，接觸電阻<10mΩ)，可滿足技術(shù)要求。

　　線纜初步考慮在QVR105、AVS和AEX中選擇。除了采集均衡線，電源線選用0.85平方線，其余通信線均選用0.5平方線，CAN通信選用帶屏蔽雙絞線。

1.5.3 外殼選型

　　VCMU系統(tǒng)的外殼可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇不同的材質(zhì)和尺寸，盡量選擇鐵質(zhì)外殼，具體尺寸≤65mm×88mm×30mm。更應(yīng)注重安裝的便利性、靈活性，注重材質(zhì)的強(qiáng)度、重量，美觀等因素。

2 系統(tǒng)測(cè)試

　　高精度電壓電流管理單元設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)的電壓、電流、絕緣監(jiān)測(cè)三項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。電壓測(cè)試、電流測(cè)試、絕緣監(jiān)測(cè)三項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表4、表5和表6所示。

3 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)VCMU三項(xiàng)主要功能的測(cè)試，對(duì)表4、表5和表6數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可得出表7所示的參數(shù)對(duì)比表格。

　　通過(guò)指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)三項(xiàng)指標(biāo)均高于要求技術(shù)指標(biāo)和市面上普通的BMS產(chǎn)品的指標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的和高精度的要求。

　　本文提出了一種基于電池管理系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)模型，將總壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)三種功能作為一個(gè)功能模塊，進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和測(cè)試，最終達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并可靈活運(yùn)用在各種電壓電流和絕緣監(jiān)測(cè)的環(huán)境中。可滿足一般的使用需求，安裝方便，簡(jiǎn)單易用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]尤文艷,金鵬,肖力.基于HCNR201的電壓采集隔離電路設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012(2):67-69.

　　[2]崔張坤.電動(dòng)汽車鋰電池組高精度電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)理工大學(xué), 2012.

　　[3]徐順剛.分布式供電系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池均衡管理及逆變控制技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué),2011.

　　[4]李貴海.電池SoC估算策略研究[D]浙江大學(xué),2006.

　　[5]徐順剛,鐘其水,朱仁江.動(dòng)力電池均衡充電控制策略研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012(2):62-65.

　　[6]ADS1110datasheet(16-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER with Onboard Reference).

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第72頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。