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

　　洛陽寶盈智控科技有限公司(河南 洛陽 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(tǒng)總電壓、總電流、絕緣監(jiān)測三個部分功能從主控管理單元中分離出來做成一個獨立的管理單元。電壓電流采集管理單元(Volt Current Management System，以下簡稱VCMU)作為系統(tǒng)應用的一個獨立單元，主要負責系統(tǒng)總電壓、總電流、絕緣監(jiān)測三個方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進行采集，為了更好地監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況，預留2路溫度采集，用于監(jiān)測分流器的溫度。同時，VCMU預留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據(jù)需要增加霍爾電流檢測。

引言

　　電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是用來監(jiān)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(wěn)定地工作，降低其運行成本，增加使用壽命，延長續(xù)航里程，從而提高電池組的可靠性以及整車的安全性。

　　BMS最基本及重要的功能是檢測電池參數(shù)，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(shù)為依據(jù)的。管理系統(tǒng)應實時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(shù)。

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

　　電池管理系統(tǒng)(BMS)主要包含以下幾個模塊：

　　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(jù)電池組的基本參數(shù)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)配備與車載中央控制系統(tǒng)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(tǒng)總電壓、總電流和絕緣監(jiān)測三個部分功能從主控管理單元中分離出來，做成一個獨立的管理單元。電壓電流采集管理單元作為系統(tǒng)應用的一個獨立單元，主要負責系統(tǒng)總電壓、總電流和絕緣監(jiān)測三個方面的功能。其中總電流采用分流器的模式進行采集，為了更好地監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況，預留2路溫度采集，用于監(jiān)測分流器的溫度。同時VCMU預留2路霍爾傳感器采集電流接口，可以根據(jù)需要增加霍爾電流檢測。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 總體方案

　　VCMU獨立實現(xiàn)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(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)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(jù)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，可以滿足VCMU數(shù)據(jù)處理的需要。

1.2.1 總電壓測量

　　總電壓采集功能通過高精度電阻分壓、信號調(diào)理、16位ADC采樣后送入單片機。本系統(tǒng)采用ADS1110專用ADC采樣芯片實現(xiàn)對系統(tǒng)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I2C接口進行通訊，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分流器方式采樣電流，通過專用芯片對采樣的數(shù)據(jù)進行處理后送給單片機，項目應用中可根據(jù)實際情況選用LEM。

1.2.3 絕緣監(jiān)測

　　我國電動汽車的標準中規(guī)定用絕緣電阻來衡量電動汽車的絕緣狀況。動力蓄電池的絕緣電阻定義為：如果動力蓄電池與地(車底盤)之間的某一點短路，最大(最壞情況下)泄露電流所對應的電阻。

　　電橋式絕緣監(jiān)測不收接地電容的影響，監(jiān)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，且分布電容會直接影響測量結(jié)果，使分辨率降低。

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

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現(xiàn)。

1.2.5 系統(tǒng)供電

　　系統(tǒng)供電電源采用隔離供電。選用金升陽隔離電源模塊為系統(tǒng)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，F(xiàn)LASH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嵌入式實時操作系統(tǒng)，根據(jù)從控單元的功能需求，以μCOS-II任務的形式實現(xiàn)各功能，主要功能包括電壓、電流、溫度采集任務、絕緣電阻處理任務、CAN通信任務和運行燈指示任務，其中部分任務之間需要采用系統(tǒng)服務實現(xiàn)任務間通信和同步，以實現(xiàn)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，依次進行時鐘初始化、GPIO初始、FLASH初始化、定時器初始化、I2C初始化、CAN初始化等，如圖4所示。其中，需要對時鐘初始、FLASH初始化、I²C初始化、CAN初始化的結(jié)果進行判斷，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在應用過程中會遇到工作電壓高、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(nèi)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)

　　通訊線束在設計上采用屏蔽雙絞線加外屏蔽的方法進行處理，而且在CAN通訊網(wǎng)路的兩個終端加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、接插件及線纜和外殼結(jié)構(gòu)三方面進行設計選型。

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隔離電源產(chǎn)品。BMS主要部件型號見表3。

1.5.2 接插件及線纜選型

　　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(shù)較多，單/雙排可選，管腳數(shù)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)，可滿足技術(shù)要求。

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

1.5.3 外殼選型

　　VCMU系統(tǒng)的外殼可根據(jù)不同的應用場合選擇不同的材質(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，美觀等因素。

2 系統(tǒng)測試

　　高精度電壓電流管理單元設計完成后，對系統(tǒng)的電壓、電流、絕緣監(jiān)測三項功能進行了測試，測試結(jié)果如表4所示。電壓測試、電流測試、絕緣監(jiān)測三項測試數(shù)據(jù)分別如表4、表5和表6所示。

3 結(jié)論

　　通過對VCMU三項主要功能的測試，對表4、表5和表6數(shù)據(jù)的對比分析可得出表7所示的參數(shù)對比表格。

　　通過指標對比發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的模塊化設計模型，將總壓檢測、電流檢測和系統(tǒng)絕緣監(jiān)測三種功能作為一個功能模塊，進行單獨設計和測試，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(jiān)測的環(huán)境中?？蓾M足一般的使用需求，安裝方便，簡單易用。

　　參考文獻：

　　[1]尤文艷,金鵬,肖力.基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計[J].單片機嵌入式系統(tǒng)應用,2012(2):67-69.

　　[2]崔張坤.電動汽車鋰電池組高精度電壓電流檢測系統(tǒng)研究與設計[D].沈陽理工大學, 2012.

　　[3]徐順剛.分布式供電系統(tǒng)中儲能電池均衡管理及逆變控制技術(shù)研究[D].西南交通大學,2011.

　　[4]李貴海.電池SoC估算策略研究[D]浙江大學,2006.

　　[5]徐順剛,鐘其水,朱仁江.動力電池均衡充電控制策略研究[J].電機與控制學報,2012(2):62-65.

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

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。