具有高耐压全温度采集的电池管理系统设计.pdf

客 车 技 术 与 研 究第 5 期 BUS&COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.5 2023收稿日期:2023-05-09。第一作者:雷代良(1979),男,工程师;主要从事动力电池系统及电池管理系统的开发与研究工作。E-mail:27318345 。具有高耐压全温度采集的电池管理系统设计雷代良(中车时代电动汽车股份有限公司,湖南 株洲 412007)摘 要:由于电气化公路车辆的电池系统直接与超高压线网连接,因此需要设计对绝缘耐压及可靠性要求更高的电池管理系统来满足整车的需求。本文设计一种高电压、高可靠性的动力电池管理系统,其具有高耐压、全温度采集的功能。关键词:电气化公路车辆;高耐压;全温度采集;电池管理系统中图分类号:U463.63 文献标志码:A文章编号:1006-3331(2023)05-0019-04Design of Battery Management System with High Withstanding Voltage and Full Temperature CollectionLEI Dailiang(CRRC Electric Vehicle Co.,Ltd.,Zhuzhou 412007,China)Abstract:The battery system of electrified highway vehicles is directly connected to the wired network of su-per high voltage,so it is necessary to design the battery management system with higher requirements for in-sulation withstanding voltage and reliability to meet the demands of the vehicle.This paper designs a high-voltage and high-reliability power battery management system with high withstanding voltage and full tem-perature collection.Key words:electrified highway vehicle;high withstanding voltage;full temperature collection;battery man-agement system 公路货运汽车由于载重大、运距长,若单靠动力电池驱动(纯电动)实现电动化,车辆需要配置的电池电量太大,既挤占运货空间,又增加电池成本,同时还需停车充电,续驶里程受限,影响运输效率。而采用电气化公路这种新型的公路货运方式,则能解决以上问题。电气化公路货车相比纯电动货车具有电池容量小(如某同吨位的纯电动货车的电池容量为 900 kW h,电气化公路货车只需配置 190.51 kWh 的电池)、电压高、动力电池及其他电气与专用线网直接连接实现边走边充电、线网与大地存在耦合等效电容等特点,因此对相关系统的绝缘耐压和可靠性提出了更高要求。1 电气化公路货车介绍我国首条电气化公路示范线在湖南省株洲市,实现了重载公路货运新方式。电气化公路货车如图 1所示,该车为半挂牵引车,整车尺寸为 7 435 mm2 550 mm3 805 mm,整备质量 11 t,总质量49 t。动力电池配置为 550.62 V/346 Ah/190.51 kW h。电气化公路货车是通过在公路上方架设专用的直流线网进行供电1-2,车辆的动力来源于两部分(如图 2 所示):一部分是通过受电弓获取上方专用直流线网(本系统 1 500 V)的电,经过非隔离 DC/DC变压至 500600 V 供电机控制器驱动电机,同时可给车上的动力电池充电;另一部分是车辆上装载的动91力电池,在没有专用电网或降弓时,动力电池可供车辆短距离行驶。当车辆制动时,动力电池可回收制动能量。图 1 电气化公路货车图 2 电气化货车电气拓扑本文 DC/DC 是非隔离型,可将从受电弓接收到的 1 500 V 电降压至 500600 V 供电气件用电和给电池充电,VCU 根据当前车辆的需求情况通过 CAN发送给 DC/DC 控制当前的输出电流和电压。由于DC/DC 是非隔离型,因此需要对整车所有电气部件的耐压按 1 500 V 进行系统设计。本文旨在设计一款绝缘耐压高(简称高耐压)全温度采集的电池管理系统。高压与车身低压部分之间按耐压 5 750 VAC 进行设计,因电气化公路货车暂无相关标准,而纯电动货车绝缘耐压是按 2 500 VAC进行设计,不满足电气化公路货车的绝缘耐压要求,因此参考 CJ/T 50081993无轨电车试验方法3,按耐压试验电压(AC2.5U+2000)进行设计;电池管理系统对电池包内每一只电芯及电连接点的温度进行监测(简称全温度采集),以提高动力电池系统的安全可靠性。2 高耐压 BMS 方案设计2.1 总体方案因每一级的隔离能力为 2 500 VAC,纯电动货车只需一级隔离即可满足要求4。而电气化公路货车需要满足 5 750 VAC 耐压隔离,所以需设计三级隔离电路来共同实现电池管理系统低压部分(24 V)与高压部分的耐压隔离,其中每一级都为 2 500 VAC。2.2 第一级隔离电路设计第一级隔离电路主要由网络隔离变压器 T1 实现,T1 通过磁感应将信号由原边传递到副边,如图 3所示。T1 两端增加电阻电容起到滤波抗干扰的作用5,T1 的原边连接到电池管理系统采集芯片高压部分的两线制 SPI 菊花链的通信线(ILM、ILP)上;T1的副边连接至第二级隔离电路的原边线(ILM1、ILP1)上,实现第一次耐压隔离。该网络隔离变压器可承受 2 500 VAC 耐压,频率为 2 MHz。图 3 第一级隔离电路2.3 第二级隔离电路设计第二级隔离电路主要由网络隔离变压器 T2 实现,同样,T2 通过磁感应将信号由原边传递到副边,如图 4 所示。T2 两端增加电阻电容起到滤波抗干扰的作用,T2 的原边连接到第一级隔离电路 T1 的副边(ILM1、ILP1)上,T2 的副边连接至二线转四线 SPI 电路线(A_N、A_P)上,实现第二次耐压隔离。该网络隔离变压器可承受 2 500 VAC 耐压,频率为 2 MHz。图 4 第二级隔离电路02客 车 技 术 与 研 究 2023 年 10 月2.4 第三级隔离电路设计第三级隔离电路主要由一个二线转四线 SPI 电路和一个光电隔离电路组成。二线转四线电路是将二线制的 SPI 信号转换成四线制的 SPI 信号,如图 5所示。输入端连接到第二级隔离电路的副边(A_N、A_P)上,经过 LTC6820IMS 转换为四线制 SPI 信号,输出端再连接到数字光电隔离电路的原边(A1、A2、A3、A4)上。图 5 二线转四线 SPI 电路光电隔离电路是将四线 SPI 信号通过光电隔离器进行信号隔离,隔离耐压为 2 500 VAC,如图 6 所示。数字光电隔离电路的输入端连接到二线转四线SPI 电路的输出端(CS、SCK、MISO、MOSI)上,光电隔离器通过光电感应将信号由原边传递到副边(B1、B2、B3、B4),光电隔离器的副边连接到主芯片 MPU的四线 SPI 上,实现第三次耐压隔离。图 6 光电隔离电路经过上述三级隔离,最高耐压可达到 7 500 VAC,经过实际测试与应用,能够保证满足5 750 VAC耐压要求。3 全温度采集 BMS 方案设计3.1 总体方案全温度采集 BMS 电路6-7由温度采集电路、全温度采集通道选择电路、温度模数转换电路芯片组成。由于温度模数转换芯片采集通道有限,通常情况下芯片采集通道一般不超过 6 路。本项目中采用的芯片为 LTC6813,温度采集通道为 4 路,无法实现对所有单体电芯及连接点的温度采集。因此,需要设计一款能够扩展多路温度采集电路来满足系统中多电芯、多电气连接点的所有温度点采集,以确保系统的安全。3.2 温度采集电路设计本方案温度采集电路如图 7 所示。外部温度传感器经过 R1 连接至 VREF 引脚,R1 的作用是与外部温度传感器进行分压;温度采集点 TEMP 通过稳压二极管 D0、电容 C0 滤波8限压后,再经过 R0 限流连接至温度采集通道选择电路的输入引脚。图 7 温度采集输入电路3.3 全温度采集通道选择及模数转换电路设计温度采集通道选择电路是通过采用多通道模拟多路复用器经过片选实现,如图 8 所示。多通道模拟多路复用器 A、B 引脚接至电池监控单元采集芯片LTC6813 的 GPIO6、GPIO5 引 脚,通 过 采 集 芯 片GPIO6、GPIO5 引脚的高低电平进行通道的选择;多通道模拟多路复用器 A 的 1Y0-1Y3、2Y0-2Y3 连接至温度采集电路 IN0-IN7 引脚,多通道模拟多路复用器 B 的 1Y0-1Y3、2Y0-2Y3 连接至温度采集电路IN8-IN15 引脚,实现对 16 个温度采集点数据的获取;多通道模拟多路复用器 A 的 1-COM 引脚及 2-COM 引脚接至电池监控单元采集芯片 GPIO1、GPIO2引脚,通道模拟多路复用器 B 的 1-COM 引脚及 2-COM 引脚接至电池监控单元采集芯片 GPIO3、GPIO4引脚,将多通道模拟多路复用器的采集数据接至模数转换采集芯片。多通道模拟复用器可采用多个,实现更多单体电芯的温度采集,本方案采用 2 个多通道模12 第 5 期 雷代良:具有高耐压全温度采集的电池管理系统设计拟多路复用器,实现对 16 个单体电芯的温度采集。图 8 温度采集通道选择电路在原有通用温度采集方案的基础上,加入温度采集通道选择电路,电路简单可靠,温度采集通道选择电路无需其他额外的隔离电路,降低了电路的成本,通过扩展多路温度采集,可实现对所有电芯及电气连接点的温度采集,进一步提升了动力电池系统使用的安全性9。4 结束语电气化公路货车配置的动力电池系统,具有电压平台高、长期与线网高压连接、线网与大地共地等特点,因此对电池管理系统的安全性和可靠性也提出了更高的要求10。提高电池管理系统高、低压部分之间耐压隔离和所有电芯、电连接点温度监控的全覆盖,确保了整车的安全性和可靠性。参考文献:1 中华人民共和国建设部.无轨电车技术条件:CJ/T 50071993S.1993:538.2 全国城市客运标准化技术委员会.无轨电车配置要求:JT/T 10532016S.北京:人民交通出版社,2016:5-7.3 中华人民共和国建设部.无轨电车试验方法:CJ/T 50081993S.1993:26-28.4 中华人民共和国工业和信息化部.电动汽车用动力蓄电池安全要求:GB/T 380312020S.北京:中国标准出版社,2020:3-4.5 毛楠.电子电路抗干扰使用技术M.北京:国防工业出版社,1996:20-25.6 刘灵芝.锂离子电池管理系统研究J.安庆师范学院学报(自然科学版),2008,14(2):50-52.7 靳尉仁.锂离子动力电池性能及其仿真研究D.北京:北京有色金属研究总院,2011.8 张松春.电子控制设备抗干扰技术及其应用M.北京:机械工业出版社,1995:155-161.9 张华辉,齐铂金,袁学庆,等.锂离子电池组合前后的特性研究J.电池,2007,37(4):294-296.10 王震坡,孙逢春.电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究J.车辆与动力技术,2002(4):11-15.22客 车 技 术 与 研 究 2023 年 10 月