基于超级电容的低压启动电源管理系统的硬件设计.pdf

7Newenergy/新能源汽车电器2 0 2 3年第10 期基于超级电容的低压启动电源管理系统的硬件设计*章锦1，朱建新，魏涛1（1.上海奥威科技开发有限公司，上海2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海【摘要】随着智能网联、智能座舱、智能驾驶、OTA等一系列的功能在新能源汽车的普及应用，对车载12 V低压电源系统的供电能力以及汽车功能安全提出了更高的要求。其中超级电容具备高功率、宽温度、长寿命、高安全优点，更加适合于电动汽车的低压启动电源。超级电容作为低压启动电源的能量载体，同样需要设计一套独立的系统对电芯进行管理。本文以STC32G12K128单片机作为控制核心，对12 V超级电容系统的电流、单体电压、温度采集电路进行设计。【关键词】超级电容；电池管理；硬件设计中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：10 0 3-8 6 39（2 0 2 3）10-0 0 0 7-0 3Hardware Design of Low-Voltage Starting Power Management System Based on Super-capacitor*ZHANG Jin,ZHU Jianxin?,WEI Tao!(1.Shanghai Aowei Technology,Shanghai 201203;2.School Of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China)【A b s t r a c t】W i t h t h e p o p u l a r i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f a s e r i e s o f f u n c t i o n s s u c h a s i n t e l l i g e n t In t e r n e tconnection,intelligent cockpit,intelligent driving,OTA,etc,in new energy vehicles,higher requirements are putforward for the power supply capacity of on-board 12V low-voltage power supply system and vehicle functionalsafety.Super-capacitors have the advantages of high power,wide temperature,long life and high safety,and aremore suitable for low-voltage starting power supply of electric vehicles.As the energy carrier of low-voltage startingpower supply,super-capacitors also need to design an independent system to manage the core.In this paper,STC32G12K128 single chip microcomputer is used as the control core to design the current,monomer voltage andtemperature acquisition circuit of 12V super-capacitor system.Key words super-capacitor;battery management;hardware design作者简介章锦（19 9 0 一），男，主要从事超级电容系统的开发；朱建新，男，副教授，主要从事新能源汽车三电系统的设计开发；魏涛（19 9 4一），男，硕士，主要从事电池管理系统开发（通信作者）。传统铅酸蓄电池因循环寿命较短、环境污染等原因而无法满足未来汽车的发展方向！，所以，新能源汽车行业正在逐步研究新的车载低压电源技术，例如蓄电池锂电化路线。但锂离子电池成本波动较大、循环寿命短、功率特性较小，使其在新能源车型中推广较为困难。近年来，超级电容在轨道交通的应用越来越广泛3，其高功率和长寿命的特点也逐步适用在汽车低压启动电源上。1低压启动电源技术参数低压启动电源由4个超级电容单体串联组成，电压范围916V，持续放电功率1.2 kW，满充满放循环寿命5万次。电收稿日期：2 0 2 3-0 3-12*基金项目：浦东新区科技发展基金产学研专项（未来车领域）（PKX2022-W03)。201203;200030)源技术参数见表1。表1电源技术参数名称规格要求2低压电源管理系工作电压/V统的组成能量/Wh低压电源管理系工作温度/统由主控模块、采样储存温度/模块、均衡模块、通持续放电功率/kW信模块组成，如图1所示。其中主控单元循环寿命/次MCU负责协调各控制BMS功能单元进行逻辑处理和故障诊断，并实时估安全特性算电源电量。由于超级电容单体电压不一致的现象，均衡单元负责均衡各电芯电压，使之保持一致。采样模块负责实时检测系统的单体电压、温度和电流。通信模块通过CAN总线实现电源系统的休眠与唤醒，并将部分信号通过CAN总线传输给DC/DC，实916V30-3060-40651.250000电压、温度采集，均衡，过充过放保护满足国标要求新能源/Newenergy8AutoelectricpartsNo.10,2023现电源系统的安全充电和放电。FUSENTO温度MCU1(电量计3功能模块单体电压采样与均衡在电动汽车中，2准确估算蓄电池的电量可以有效保护蓄电池，提高整车性能及经济性。目前的电量估算方法有安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法。对于低压启动电源，本文采用开路电压法，通过V/T-SOC二维查表计算剩余电量。单体均衡是电源管理系统重要功能模块。由于低压启动电源由4节电芯串联组成，在长期使用过程中，电芯由于不一致性和温度场不均衡，电芯与电芯的压差会逐渐增大。因此，必须通过均衡电路设计和均衡控制算法来平衡电芯间的压差，使得电源系统更好地输出。均衡电路有主动均衡、被动均衡两种，由于被动均衡电路简单、均衡能力适宜、BOM成本低，本文采用被动均衡。故障诊断单元实时检测分析系统的电压、温度和电流信号，然后将电源系统的过压、过流、过温信号，通过CAN总线实时发送给DC/DC，保障电源系统的使用安全。3.1主控设计主控单元采用32 位国产品牌8 0 51芯片STC32G12K128，主控单元电路由晶振电路、复位电路、电源电路、均衡驱动PWM电路、电源指示电路等组成。如图2 所示，其中外部晶振电路用于给STC32提供工作时序；双二极管供电可以选择供电来源，一路电源来自于超级电容本身，一路电源来VIV2SPISSV3V425P32.768kHzXIGNDC25H125PC2610uFC2LC28T1OnFTluF225%RXR.56TXR.57225%GNDR58PRG21NC410k25%05%R5110k2+5%R52口10kQ5%R5310k25%源于RC电路定时唤醒供电；PWM引脚用来控制均衡电路的开启与关闭。CAN3.2采集电路设计3.2.1单体电压采集算、均衡判断、故障预警)34Shunt图1低压电源管理系统组成U4SPIEN1P5.3/CAN2_TX22PO.5/ADC133PO.6/ADC14/PWMFLT2_24PO.75P1.0/ADCO6P1.1/ADCI7P4.7/CAN2_TX3MISO8P1.4/ADC4/MISOSCLK9P1.5/ADC5/SCLK7Y110P1.6/ADC6/XTALOX21MOSIP1.7/ADC7/XTALI0.1uF12C3013P1.3/ADC3/MOSIUCapRST14P5.4/RST/SS/SS_3/PWM6210kQ25%15VCC/AVCCR5416ADC_Vref+LC3117GNDIAGND/Vref.18P4.0/MOSL319P3.0/RxD/USBD-20P3.1/TxD/USBD+P3.2/INTO/SCK422P3.3/INT1/MISO_4/PWM7_223LED1P3.4/TO/MOSI_4/PWM8_2/CMPOUT24P5.0/CAN_RX2LED1LED2LED2LED3LED3M超级电容电芯电压工作区间为2.2 5 4V，电压的采集与Da/a均衡电路如图3所示，被测量电压经过分压、限流、滤波和运算放大后，进人单片机AD采样。单片机对4节超级电容电压进行比较计算后，通过控制S2引脚实现均衡控制。当S2引DA脚被PWM信号控制为低电平时，三极管Q3打开，超级电容电流通过R31、R 11放电，同时均衡指示灯L3闪烁。当S2引脚被PWM信号控制为高电平信号时，三极管Q3截止，均衡放电停止。3.2.2单体温度采集低压电源应工作在合适的温度范围内，对温度的采样不仅可以用于剩余电量的计算，也可以通过温度预警，保证电源的安全可靠运行。温度采集电路原理如图4所示，通过分压的设计，利用A/D值反推计算出NCT电阻值，再通过NTC电阻与温度的关系插值查表即可得出电源系统当前温度。部分NTC电阻值与温度值、单片机AD值的对应关系见表2。3.2.3电流采集测量串联在电源母线上的分流器（shunt）的电压，通过欧姆定律来计算回路的P5.2/CAN2RX24847PO.4/ADC12PO.3/ADC11/CAN2_TX/PWM8_3P0.2/ADC10/CAN2_RX/PWM7.3PO.1/ADC9/CAN_TX/PWM6_3P0.0/ADC8/CAN_RX/PWM5_3P4.6/CAN2_RX3P4.5/CAN_TX3P2.7P2.639P2.5/SCLK_23837P2.4/MISO_236P2.3/PWM8/MOSI235P2.2/PWM7/SS2P2.1/PWM6P2.0/PWM5P4.43231P4.3/SCLK_330P4.2/CAN_RX3P4.1/MISO_3/CMPOUT2P3.7/INT3/CMP+P3.6/INT2/CMP-P3.5/TI/SS_4/PWMFLTPS.1/CAN_TX2STC32G12K128图2 主控单元电路表2 部分温度-阻值对应关系AD值NTC电/V阻值/kQ40533225395794837173253512199323912528998025055221073517242413921710921279986306T146HalSI45HallS244CANTX43CANRX42414034332928272625温度值/-40-200102030405060708090100CANSTBSELFCTLPWMIPWM2PWM3PWM4VIN270kQ25%R71%SFUYOTL19VCLEARR70L33kQ25%C4310nF/50V10%GND%SFUYOTR72R73R74R75R76%S+OYO1%SFUOT%STUYOINewenergy/新能源9汽车电器2 0 2 3年第10 期U3DGNDR13R25MQ5%12Q3R21R3R27R31R113307L3电流值。电流采集电路原理如图5所示，测量的电流信号(Hall_S1、H a l l _S2）不仅传输给单片机，还通过放大电路传输（I+）给DC/DC采用。3.3通信电路设计电源系统的CAN通信单元采用单片机片内CAN控制器和TJA1042CAN收发器，该收发器有极低电流待机模式，具有主1nF/50V10%C34HV Hall SR601k2+1%HVHallGNDTC32口R591k21%C331nF/50V10%=1k21%HVHallGNDR62HV Hall S口R611k21%R6CANTX1kQ+5%U2CANGNDLC2VCCTO.IuF/50VCANRXR51kQ5%4结束语本文对低压电源管理系统的电芯电压采集与均衡、电流检测、温度检测及通信电路进行了设计，所设计的硬件电路具有成本低、电路简单、可靠的特点，适用于电动汽车低压启动电源管理系统硬件电路的设计开发。参考文献：1】郝晓华，张秀乔，刘军，等.纯电动汽车12 V蓄电池选VCCR29R36GND14VO13C11C5本DSGNDRIS一R26图3电芯电压的采集与均衡电路GND163kQ1%R6332VCCHR65463k21%C361nF/50V10%SGND10kQ1%R64U9B5+6TS9224IYDTR6663kQ21%C37图5电流采集电路10kQ5%CANHICAN STBR2SSTB2TXDGNDCANHI64VCCCANLORXDSPLITTJA1042T/3V220k21%R425k021%10nFU3CGND10机和总线唤醒功能，收发器在未上电时在总线上处于断开状态（零负载），适用于低压电源低功耗休眠与唤醒的工作要求。CAN通信电路如图6 所示，在CAN_HI与CAN_LO间串联电感L1，可有效消除来自于总线的共模干扰。为了匹配总线阻抗，CAN需要在总线两端接人2 个总线匹配电阻，由于电源系统与DC/DC双向点对点通信，此处采用2 个6 2 Q电阻串联设计。U9ATS9224IYDTR68Hall S1VO1k25%0.1F/50VC3810nF/50V10%SGNDSGND7R69Hall S2VO1k25%c3910nF/50V10%SGNDI-CAN_GND_LI7图6CAN通信电路型浅析J.汽车电器，2 0 19（6)：2 3-2 4.2袁中胜，杨曦.汽车12 V低压电源系统选型设计与分析汽车电器，2 0 19（12)：2 6-30.3 章锦，朱建新，颜亮亮，等。车用超级电容管理系统设计与应用开发.上海节能，2 0 2 3（1)：58-6 9.(编辑杨景)Temp33kQ21%C194.7nF/50C13R32Temp G300kQ21%GND图4温度采集电路原理图VCCJR8651kQ1%R82R8410k21%1k21%100nF/50V10%R8310kQ2+1%SGNDR8112+10k21%vO1310kQ21%R80U7R45C23ACT45B-510-2P622+5%R46LCANLO6225%R3310kQ21%C140.1F/50VU10TL431C41U9D14R871kQ2+1%TS9224IYDTC40R8510nF/50V10%10kQ21%SGND12CAN LOCANHIGND4.7nF/50VSZNUP2105OnF4C29T1I+6524CAN-CURR1005%R55口SGND