具有高耐压全温度采集的电池管理系统设计

2023-10-27雷代良

客车技术与研究 2023年5期

雷代良

(中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南株洲 412007)

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 kW·h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 mm×2 550 mm×3 805 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。

图1 电气化公路货车

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500～600 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500～600 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 5008—1993《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

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个多通道模拟多路复用器,实现对16个单体电芯的温度采集。