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高精度电压电流采集管理单元设计 

作者: 孙君起 吕少峰 田云芳时间:2017-12-26来源:电子产品世界
编者按:为了在项目应用中更加细化、模块化产品,将系统总电压、总电流、绝缘监测三个部分功能从主控管理单元中分离出来做成一个独立的管理单元。电压电流采集管理单元(Volt Current Management System,以下简称VCMU)作为系统应用的一个独立单元,主要负责系统总电压、总电流、绝缘监测三个方面的功能。其中总电流采用分流器的模式进行采集,为了更好地监测系统的运行情况,预留2路温度采集,用于监测分流器的温度。同时,VCMU预留2路霍尔传感器采集电流接口,可以根据需要增加霍尔电流检测。

作者 / 孙君起 吕少峰 田云芳

本文引用地址:/article/201712/373602.htm

  洛阳宝盈智控澳门24小时手机客户端有限公司(河南 洛阳 471003)

  孙君起(1983-),男,研发澳门24小时娱乐城师,研究方向:锂电池 BMS 澳门24小时娱乐城;吕少锋,男,硕士,中级澳门24小时娱乐城师,研究方向:新能源汽车澳门24小时娱乐城;田云芳,男,硕士,中级澳门24小时娱乐城师,研究方向:嵌入式澳门24小时娱乐城。

摘要:为了在项目应用中更加细化、模块化产品,将系统总电压、总电流、三个部分功能从主控管理单元中分离出来做成一个独立的管理单元。电压管理单元(Volt Current Management System,以下简称)作为系统应用的一个独立单元,主要负责系统总电压、总电流、三个方面的功能。其中总电流采用分流器的模式进行采集,为了更好地监测系统的运行情况,预留2路温度采集,用于监测分流器的温度。同时,预留2路霍尔传感器采集电流接口,可以根据需要增加霍尔电流检测。

引言

  系统(Battery Management System,BMS)是用来监测和管理电池组安全工作,从而提高电池的使用效率,使电池组能更好、更稳定地工作,降低其运行成本,增加使用寿命,延长续航里程,从而提高电池组的可靠性以及整车的安全性。

  BMS最基本及重要的功能是检测电池参数,是有效管理及澳门24小时娱乐官网电池的基础,充放电优化、SoC估计、热管理及安全故障报警等都是以检测电池基本参数为依据的。管理系统应实时检测电池组的单体电池电压、充放电电流、总电压以及温度等参数。

  目前,电池组及系统都是电动汽车发展的瓶颈。无论是电池电压、电流及温度的测量精度,还是电池剩余电量的估算,在实际应用中都对系统有重要的影响。

  电池管理系统(BMS)主要包含以下几个模块:

  a)对电池组单体电压策略、电池组温度测量;

  b)对电池组总电流和总电压检测;

  c)根据电池组的基本参数完成电池组剩余电量的估计;

  d)完成对电池组的充放电管理,达到保护电池组的目的;

  e)电池组的充电均衡;

  f)电池组的热管理;

  g)配备与车载中央澳门24小时娱乐官网系统的通信接口。

  为了在项目应用中更加细化、模块化产品,将系统总电压、总电流和三个部分功能从主控管理单元中分离出来,做成一个独立的管理单元。电压管理单元作为系统应用的一个独立单元,主要负责系统总电压、总电流和绝缘监测三个方面的功能。其中总电流采用分流器的模式进行采集,为了更好地监测系统的运行情况,预留2路温度采集,用于监测分流器的温度。同时预留2路霍尔传感器采集电流接口,可以根据需要增加霍尔电流检测。

1 系统设计方案

1.1 总体方案

  VCMU独立实现电池组总电压、总电流检测、温度采集(如需)及绝缘检测,VCMU把测得的数据通过CAN总线发送给系统总处理单元。VCMU原理框图如图1所示。

1.1.1 VCMU主要澳门24小时娱乐城指标

  VCMU设计澳门24小时娱乐城指标如表1所示。

1.1.2 VCMU接口功能定义

  根据VCMU功能需求,VCMU应具有2路电流检测接口、1路绝缘检测接口、6路总电压检测接口、1路CAN通信接口和1路供电接口。具体接口功能定义见表2。

1.2 VCMU硬件设计

  微澳门24小时娱乐官网器采用MC9S12G128系列单片机,具有16KB FLASH,1KB SRAM,主频达50MHz,可以满足VCMU数据处理的需要。

1.2.1 总电压测量

  总功能通过高精度电阻分压、信号调理、16位ADC采样后送入单片机。本系统采用ADS1110专用ADC采样芯片实现对系统总电压信号的采集。

  ADS1110芯片为带参考电压的16位高精度ADC采样芯片,温漂最大为5ppm/℃,供电电压为2.7V到5.5V;采样速率可设定,范围为15SPS到240SPS。

  ADS1110与MC9S12G128系列单片机通过I2C接口进行通讯,将采集的电池总电压测量值传送给主控单片机。ADS1110与单片机连接方式如图2所示。

1.2.2 总电流测量

  总功能通过分流器方式采样电流,通过专用芯片对采样的数据进行处理后送给单片机,项目应用中可根据实际情况选用LEM。

1.2.3 绝缘监测

  我国电动汽车的标准中规定用绝缘电阻来衡量电动汽车的绝缘状况。动力蓄电池的绝缘电阻定义为:如果动力蓄电池与地(车底盘)之间的某一点短路,最大(最坏情况下)泄露电流所对应的电阻。

  电桥式绝缘监测不收接地电容的影响,监测速度快。低频信号注入法随可以检测爽极接地,但是注入的低频信号增加了直流电压的波纹,影响供电质量,且分布电容会直接影响测量结果,使分辨率降低。

  本方案的绝缘检测采用平衡电桥法。在正负母线与地之间接入一系列的电阻,通过电子开关切换接入电阻的大小,测量不同接入电阻下正负母线在被测电阻上的分压值,结合方程式解出正负母线对地的绝缘电阻。

1.2.4 CAN通信

  CAN通信采用单片机自带的CAN澳门24小时娱乐官网器加外围电路实现。

1.2.5 系统供电

  系统供电电源采用隔离供电。选用金升阳隔离电源模块为系统供电。

1.3 VCMU软件设计

1.3.1 MCU

  微澳门24小时娱乐官网器采用飞思卡尔MC9S12G128,主频最高可达50MHz,FLASH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 软件平台

  软件平台采用μCOS-II嵌入式实时操作系统,根据从控单元的功能需求,以μCOS-II任务的形式实现各功能,主要功能包括电压、电流、温度采集任务、绝缘电阻处理任务、CAN通信任务和运行灯指示任务,其中部分任务之间需要采用系统服务实现任务间通信和同步,以实现功能需求,CIMU软件平台功能框图如图3所示。

1.3.3 软件总流程

  VCMU单元上电后,依次进行时钟初始化、GPIO初始、FLASH初始化、定时器初始化、I2C初始化、CAN初始化等,如图4所示。其中,需要对时钟初始、FLASH初始化、I2C初始化、CAN初始化的结果进行判断,保证自身运行的可靠性,若初始化异常,则异常处理。

1.4 关键澳门24小时娱乐城分析

1.4.1 高压隔离澳门24小时娱乐城

  VCMU在应用过程中会遇到工作电压高、干扰强的环境,影响产品可靠工作。MCMU在设计上采用隔离方案,首先,电路板内部采用DC/DC隔离后为MCU及其他电路供电;其次,与电池直接相连的部分也采用隔离设计,并且总电压、总电流、绝缘检测部分采用物理隔离+电气隔离的双重隔离方法确保产品安全;同时产品其他的输入、输入端口也都采用隔离设计。

1.4.2 通信抗干扰澳门24小时娱乐城

  通讯线束在设计上采用屏蔽双绞线加外屏蔽的方法进行处理,而且在CAN通讯网路的两个终端加120Ω匹配电阻,增强CAN通讯的可靠性。

1.5 材料、部件选型

  VCMU主要从模块芯片、接插件及线缆和外壳结构三方面进行设计选型。

1.5.1 模块芯片选型

  VCMU各模块选用国际知名品牌芯片,如Freescale、TI、MAXIM等,电源模块选用金升阳隔离电源产品。BMS主要部件型号见表3。

1.5.2 接插件及线缆选型

  参考行业标准,采用日本JAE公司的高品质接插件IL-AG5系列。IL-AG5系列为高可靠性的板对线应用系列,2.5mm管脚间距,设计有可靠的机械锁止装置,系列可选管脚数较多,单/双排可选,管脚数4到30可选。电气性能主要为:1000VACrms@1min,电流3A,绝缘电阻100MΩ,接触电阻<10mΩ),可满足澳门24小时娱乐城要求。

  线缆初步考虑在QVR105、AVS和AEX中选择。除了采集均衡线,电源线选用0.85平方线,其余通信线均选用0.5平方线,CAN通信选用带屏蔽双绞线。

1.5.3 外壳选型

  VCMU系统的外壳可根据不同的应用场合选择不同的材质和尺寸,尽量选择铁质外壳,具体尺寸≤65mm×88mm×30mm。更应注重安装的便利性、灵活性,注重材质的强度、重量,美观等因素。

2 系统测试

  高精度电压电流管理单元设计完成后,对系统的电压、电流、绝缘监测三项功能进行了测试,测试结果如表4所示。电压测试、电流测试、绝缘监测三项测试数据分别如表4、表5和表6所示。

3 结论

  通过对VCMU三项主要功能的测试,对表4、表5和表6数据的对比分析可得出表7所示的参数对比表格。

  通过指标对比发现三项指标均高于要求澳门24小时娱乐城指标和市面上普通的BMS产品的指标,达到了设计的目的和高精度的要求。

  本文提出了一种基于电池管理系统的模块化设计模型,将总压检测、电流检测和系统绝缘监测三种功能作为一个功能模块,进行单独设计和测试,最终达到了预定的设计目标,并可灵活运用在各种电压电流和绝缘监测的环境中。可满足一般的使用需求,安装方便,简单易用。

  参考文献:

  [1]尤文艳,金鹏,肖力.基于HCNR201的隔离电路设计[J].单片机嵌入式系统应用,2012(2):67-69.

  [2]崔张坤.电动汽车锂电池组高精度电压电流检测系统研究与设计[D].沈阳理工大学, 2012.

  [3]徐顺刚.分布式供电系统中储能电池均衡管理及逆变澳门24小时娱乐官网澳门24小时娱乐城研究[D].西南交通大学,2011.

  [4]李贵海.电池SoC估算策略研究[D]浙江大学,2006.

  [5]徐顺刚,钟其水,朱仁江.动力电池均衡充电澳门24小时娱乐官网策略研究[J].电机与澳门24小时娱乐官网学报,2012(2):62-65.

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

  本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第72页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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