高精度電壓電流采集管理單元設計　

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，中級工程師，研究方向：新能源汽車(chē)技術(shù);田云芳，男，碩士，中級工程師，研究方向：嵌入式技術(shù)。

摘要：為了在項目應用中更加細化、模塊化產(chǎn)品，將系統總電壓、總電流、絕緣監測三個(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(chēng)VCMU)作為系統應用的一個(gè)獨立單元，主要負責系統總電壓、總電流、絕緣監測三個(gè)方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進(jìn)行采集，為了更好地監測系統的運行情況，預留2路溫度采集，用于監測分流器的溫度。同時(shí)，VCMU預留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據需要增加霍爾電流檢測。

引言

　　電池管理系統(Battery Management System，BMS)是用來(lái)監測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、更穩定地工作，降低其運行成本，增加使用壽命，延長(cháng)續航里程，從而提高電池組的可靠性以及整車(chē)的安全性。

　　BMS最基本及重要的功能是檢測電池參數，是有效管理及控制電池的基礎，充放電優(yōu)化、SoC估計、熱管理及安全故障報警等都是以檢測電池基本參數為依據的。管理系統應實(shí)時(shí)檢測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。

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

　　電池管理系統(BMS)主要包含以下幾個(gè)模塊：

　　a)對電池組單體電壓策略、電池組溫度測量;

　　b)對電池組總電流和總電壓檢測;

　　c)根據電池組的基本參數完成電池組剩余電量的估計;

　　d)完成對電池組的充放電管理，達到保護電池組的目的;

　　e)電池組的充電均衡;

　　f)電池組的熱管理;

　　g)配備與車(chē)載中央控制系統的通信接口。

　　為了在項目應用中更加細化、模塊化產(chǎn)品，將系統總電壓、總電流和絕緣監測三個(gè)部分功能從主控管理單元中分離出來(lái)，做成一個(gè)獨立的管理單元。電壓電流采集管理單元作為系統應用的一個(gè)獨立單元，主要負責系統總電壓、總電流和絕緣監測三個(gè)方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進(jìn)行采集，為了更好地監測系統的運行情況，預留2路溫度采集，用于監測分流器的溫度。同時(shí)VCMU預留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據需要增加霍爾電流檢測。

1 系統設計方案

1.1 總體方案

　　VCMU獨立實(shí)現電池組總電壓、總電流檢測、溫度采集(如需)及絕緣檢測，VCMU把測得的數據通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給系統總處理單元。VCMU原理框圖如圖1所示。

1.1.1 VCMU主要技術(shù)指標

　　VCMU設計技術(shù)指標如表1所示。

1.1.2 VCMU接口功能定義

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

1.2 VCMU硬件設計

　　微控制器采用MC9S12G128系列單片機，具有16KB FLASH，1KB SRAM，主頻達50MHz，可以滿(mǎn)足VCMU數據處理的需要。

1.2.1 總電壓測量

　　總電壓采集功能通過(guò)高精度電阻分壓、信號調理、16位ADC采樣后送入單片機。本系統采用ADS1110專(zhuān)用ADC采樣芯片實(shí)現對系統總電壓信號的采集。

　　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;采樣速率可設定，范圍為15SPS到240SPS。

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

1.2.2 總電流測量

　　總電流采集功能通過(guò)分流器方式采樣電流，通過(guò)專(zhuān)用芯片對采樣的數據進(jìn)行處理后送給單片機，項目應用中可根據實(shí)際情況選用LEM。

1.2.3 絕緣監測

　　我國電動(dòng)汽車(chē)的標準中規定用絕緣電阻來(lái)衡量電動(dòng)汽車(chē)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(chē)底盤(pán))之間的某一點(diǎn)短路，最大(最壞情況下)泄露電流所對應的電阻。

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

　　本方案的絕緣檢測采用平衡電橋法。在正負母線(xiàn)與地之間接入一系列的電阻，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)切換接入電阻的大小，測量不同接入電阻下正負母線(xiàn)在被測電阻上的分壓值，結合方程式解出正負母線(xiàn)對地的絕緣電阻。

1.2.4 CAN通信

　　CAN通信采用單片機自帶的CAN控制器加外圍電路實(shí)現。

1.2.5 系統供電

　　系統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供電。

1.3 VCMU軟件設計

1.3.1 MCU

　　微控制器采用飛思卡爾MC9S12G128，主頻最高可達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 軟件平臺

　　軟件平臺采用μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，根據從控單元的功能需求，以μCOS-II任務(wù)的形式實(shí)現各功能，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)和運行燈指示任務(wù)，其中部分任務(wù)之間需要采用系統服務(wù)實(shí)現任務(wù)間通信和同步，以實(shí)現功能需求，CIMU軟件平臺功能框圖如圖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，需要對時(shí)鐘初始、FLASH初始化、I²C初始化、CAN初始化的結果進(jìn)行判斷，保證自身運行的可靠性，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在應用過(guò)程中會(huì )遇到工作電壓高、干擾強的環(huán)境，影響產(chǎn)品可靠工作。MCMU在設計上采用隔離方案，首先，電路板內部采用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計，并且總電壓、總電流、絕緣檢測部分采用物理隔離+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計。

1.4.2 通信抗干擾技術(shù)

　　通訊線(xiàn)束在設計上采用屏蔽雙絞線(xiàn)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(xiàn)纜和外殼結構三方面進(jìn)行設計選型。

1.5.1 模塊芯片選型

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

1.5.2 接插件及線(xiàn)纜選型

　　參考行業(yè)標準，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線(xiàn)應用系列，2.5mm管腳間距，設計有可靠的機械鎖止裝置，系列可選管腳數較多，單/雙排可選，管腳數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(mǎn)足技術(shù)要求。

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

1.5.3 外殼選型

　　VCMU系統的外殼可根據不同的應用場(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。更應注重安裝的便利性、靈活性，注重材質(zhì)的強度、重量，美觀(guān)等因素。

2 系統測試

　　高精度電壓電流管理單元設計完成后，對系統的電壓、電流、絕緣監測三項功能進(jìn)行了測試，測試結果如表4所示。電壓測試、電流測試、絕緣監測三項測試數據分別如表4、表5和表6所示。

3 結論

　　通過(guò)對VCMU三項主要功能的測試，對表4、表5和表6數據的對比分析可得出表7所示的參數對比表格。

　　通過(guò)指標對比發(fā)現三項指標均高于要求技術(shù)指標和市面上普通的BMS產(chǎn)品的指標，達到了設計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的模塊化設計模型，將總壓檢測、電流檢測和系統絕緣監測三種功能作為一個(gè)功能模塊，進(jìn)行單獨設計和測試，最終達到了預定的設計目標，并可靈活運用在各種電壓電流和絕緣監測的環(huán)境中?？蓾M(mǎn)足一般的使用需求，安裝方便，簡(jiǎn)單易用。

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　　[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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。