【《电动汽车车载电池管理系统的硬件设计案例》6000字】

电动汽车车载电池管理系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11418电动汽车车载电池管理系统的硬件设计案例 图中电路是十分典型的电阻分压式电路，用其对电池组电压进行控制，具体思路是通过调节改变电阻值来控制电压大小，使AD模块的数模转换更为便利。然而，如果采样点的电压偏高，那么输出精度就会相应偏低，从而使系统的整体数据采样不够精确。因此，为了避免上述存在的隐患，本文改用差分式输入方式，通过电压跟随电路的思路来处理差分模块处理的信号。改进后的电池端电压测量硬件电路如图1.5所示。假设对车载电池B3进行电压调理，其单体电池输入电压与总输出电压之间对应的关系可通过式1.1求得：B3两端电压差可用式1.1进行表示：上式中，，由电压跟随器特性可知，输入电压等于输出电压大小。同时，结合1.1〜1.3可知，其输出AD功能模块的电压可通过式1.4求得：1.1.2电流检测电路设计在本文的车载电池管理系统中，为了使系统能为按时计量法给予可靠的数据支持，其需要通过电流检测电路的方式去对车载电池的充放电流进行检测。但是常用的电流检测法由于电路结构较为简易，难以对大电流进行有效检测，则不能满足系统对电池电流的检测要求。故本文决定改用电流霍尔传感器进行检测，以避免常用的电流检测法的缺憾。其原理是利用霍尔传感器对导线中的电流变化产生的感应电流进行感应，以检测到具体电流大小。其选用的LTS6-NP参数如表1.1所示。表1.1LTS6-NP性能参数表供电电压（V)电流测量（A)响应时间（ns)测量精度（25P)线性误差工作温度（七）5V±19.2<400±0.2%<0.1%-40-S5其电压和电流之间的关系可用图1.6进行表示：图1.6输出的电压与检测的电流之间的关系图电压电流转换公式如1.5所示：上式中，表示霍尔传感器的输出电压值，表示霍尔传感器在零电流时输出的电压值，表示待测量的电流值，表示霍尔传感器测量的量程。根据霍尔传感器相关特性，文中设了霍尔传感器硬件电路，其硬件电路如图1.7所示。1.1.3温度检测电路设计对于电池温度方面，一旦车载电池组无法有效运行，容易因为内部激烈的化学反应而导致热量过高，有可能导致电池爆炸。故为了保证电池使用安全，本文将对车载电池的温度进行监测。文中采用DS18B20对车载电池温度进行测量，其硬件电路如图1.8所示。图1.8温度采集硬件电路1.4电池均衡电路设计当充电器为电池充电时，部分电池将被过度充电，而也有部分电池将被充电不足。如果车载电池组不平衡，将不可避免地影响车载电池电量并减少纯电动汽车的整体行驶距离。为了最大化电池寿命，系统需要平衡处理车辆电池。考虑到传统的均衡方法不能真正有效地均衡车载动力电池，结合传统车载电池管理系统均衡模块的缺点，设计了一套新的车载动力电池均衡控制系统，其均衡电路为如图1.9所示。在均衡电路中，每个要均衡的电池都在逆变器电路中，并由互补电路驱动和补偿。此时，电池的能量可以通过飞跨电容器将高能量电容器转移到低压电池，最终达到电池平衡的目的。图1.9均衡硬件电路当Q1导通后，此时，第1节和第2节电池将进行均衡处理，其等效电路如图1.10所示。其中，Q1与Q4相位相同，Q2与Q3相位相同，Q1与Q3具有互补性。当车载电池完成均衡后，此时，电池VB1=VB2，微处理器将开关管都关闭，均衡电路不再工作。当车载电池VB1>VB2时，微处理器驱动均衡控制器进行工作，此时，QI、Q4、Q5以及Q8将会导通，而Q2、Q3、Q6以及Q7将会处于截止状态。在图1.10中，其电流流向方向用虚线进行表示，从图中可以看出，电容C1用于存储电池B1流出的电荷，而电容C2则将上一时刻从电池B1

流出的电荷流入到电池B2，其导通时均衡等效电路图如图1.10所示。图1.10导通时均衡等效电路图当车载电池管理系统中检测到电池电压VB1>VB2时，其均衡等效电路如图1.11所示。系统在进行均衡时，会借助电容C1将上一时刻从电池B1得到的电荷流向电池B2，电容C2则用于存储电池B1的电荷大小。图1.11Q1关闭时的均衡等效电路图由于每一个电池有两个电容处于交替进行能量转移，其转移过程中是双向的。在一个开关周期内，能够处于动态均衡过程，假设上述两电池压差如式1.6所示： (1.6)假设全桥开关控制频率为f，其电容值为C，电池B1将通过电容将能量转移到B2中，其转移过程中流过的电流可通过式1.7求得： (1.7)当开关管频率越高时，开关管功耗越大，从而使得开关管发热越严重。因此，为了保证开关管能够正常工作，系统需选取一个合适的开关频率对功率管进行控制。当微处理器检测到单体电池SOC相差超过了2%时，此时，系统将开关频率设定在10KHz。反之，当微处理器检测到单体电池SOC相差低于2%。为了降低开关管整体功耗，系统可将开关管控制频率从10kHz逐渐衰减为1kHz，以此循环进行控制。 (1.8)在对车载电池进行均衡时，其均衡效率与占空比、充电电流以及分流电流大小有关，由于文中将充电电荷设定为0.3C，故车载电池管理系统充电电流为5A左右。为了保证文中设定的均衡补偿效率至少大于30%，故文中设计的均衡补偿控制器分流电流平均值至少为1.5A。根据上述分析可知，其电容容值可由式1.9求得： (1.9)但考虑到文中选取的MOS相关制约因素，文中将电容选定为270nF。由于本次设计的均衡补偿电路采用MOS管对电池进行均衡处理，而MOS管正常工作时，其GS端电压至少大于4V，且MOS管上流过的电流最小为1.5A。考虑到微处理器I/O引脚驱动能力相对有限，文中采用外接驱动电路对MOS管进行驱动，其驱动放大电路如图1.12所示。图1.12全桥驱动电路由于微处理器整体驱动能力相对有限，为了确保微处理器能够可靠对MOS进行驱动，系统需借助放大电路对微处理器输出信号进行放大处理。当微处理器OC1A输出低电平时，三极管Q17截止，其在三极管Q17的集电极上输出高电平，此时，三极管Q17输出的高电平将对三极管Q18进行驱动，从而输出高电平，以此实现信号放大的目的。系统通过两级放大处理后，对MOS管进行驱动，以保证微处理器输出的弱信号对MOS管进行有效驱动处理KU。1.5电池保护电路设计在锂电池的充电和放电过程中，如果不限制锂电池的充电和放电，则在能量转换过程中锂电池的整体使用寿命可能受到影响，甚至可能引起爆炸。因此，锂电池的保护电路设计非常重要。针对汽车电池的相关功能要求，本文设计了一种锂电池保护电路，其硬件电路如图1.13所示。图1.13车载动力电池保护硬件电路考虑到车载电池组的实际应用环境比较复杂，为避免车载电池对微处理器的干扰，本文采用光耦隔离微处理器输出的信号和光耦输出的信号。三极管Q21的次级端用Q22驱动。当微处理器检测到电池处于正常状态时，此时，微处理器控制该引脚输出高电平，并且在进行光耦合处理之后，IC1和IC2输出端口输出低电平。此时，三极管Q21和三极管Q22导通，并且电源电压从Q21和Q22输出到MOS三极管Q23和Q24。此时，电池可以正常充电和放电。当微处理器检测到单节电池的过电压或车辆电池组中的总电压时，此时，光耦合器IC1的输出端口输出高电平，而光耦合器IC2的输出端口输出低电平，因此三极管Q21和MOS三极管Q23处于截止状态，并且三极管Q22和MOS三极管Q24导通。如果微处理器检测到车辆电池组中的单个电池或总电压欠压，则此时，光耦合器IC1的输出端口输出低电平，而当光耦合器IC2的输出端口输出高电平时，三极管Q21和MOS管将输出。Q23处于导通状态，三极管Q22和MOS三极管Q24截止，车载电池组将停止放电。1.6CAN通信模块考虑到本文选择的RX210没有集成相应的CAN总线接口，为了确保系统可以正常与车载充电器交互，本文选择了TJA1050进行电平转换，而由于考虑到实际车辆系统的应用环境比较复杂，为了防止外部噪声通过CAN总线影响微处理器的正常运行，本文采用隔离技术将微处理器与CAN网络物理隔离，从而有效避免了外部复杂环境通过CAN总线影响微处理器的正常运行。对于CAN隔离的相关功能要求，选择ADUM1201BR芯片进行信号隔离处理。与光耦合器隔离相比，该芯片可以等效于微型数字变压器，信号传输隔离功能是通过变压器原理实现的，可以有效过滤外部噪声对微处理器的影响，其CAN功能模块硬件电路如图1.14所示。图1.14CAN硬件电路图由于文中采用的隔离技术对CAN总线功能模块进行设计，为了实现真正意义上的CAN隔离功能，需对系统电源与CAN芯片电源进行隔离设计。针对CAN隔离技术相关功能需求，文中采用DC/DC隔离电源将系统电源转为一个独立的电源电压进行供电。针对DC/DC相关功能以及功率需求，文中选用NTE0505MC进行电源隔离设计，其硬件电路如图1.15所示。图图1.15隔离电源模块1.7通信功能模块在车载电池管理系统中，电池的实时监控是必不可少的，此外，还需要将得到的信息通过通信接口输送给上位机系统。对于此需求，本文决定使用RS485进行数据传输，其硬件电路如图1.16所示。GND图GND图1.16RS485接口电路考虑到需要避免电动汽车外部噪音对系统的正常运行，本文通过光耦隔离技术对RS485进行设计，避免外部噪音对芯片造成的干扰。此外，本文将RS485设计为自动收发功能模块，能简化电路设计难度。文中将RS485芯片设计为一个自动收发功能模块，有效降低了后期RS485功能模块软件程序设计难度。1.8数据存储模块在车载电池管理系统中，系统需要使用数据存储单元在充电和放电结束时存储电池的SOC值，以用于片外数据存储，使微处理器可以在估计SOC时更为方便，车载电池管理系统还需要在充电过程中将电池使用次数和一些故障信息存储为片外数据。本文考虑到车载电池管理系统的数据存储容量较高，并且本文中选择的片外数据存储器的存储空间相对有限，在图1.17中设计了图1.17所示的片外存储模块。考虑到微处理器内部集成的IIC总线接口以及后续软件程序的实时性，本文使用AT24C08直接与微处理器IIC接口连接，从而使软件程序使用IIC总线中断方法来处理数据沟通。考虑到IIC总线接口是集电极开路特性，为了确保AT24C08芯片可以正常与微处理器交互，本文使用外部上拉电阻来设计硬件电路图1.17数据存储模块1.9时钟模块当系统产生故障，需要通过系统发生