（电力电子与电力传动专业论文）混合动力电动汽车电池管理系统的可靠性分析与设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e ra c c l 瑚u l a t o rc e l lm i x e so n eo fp o w e re l e c t r i ca u 幻m o b i l e ( h e v ) p o w e rs o u r c e s a tp r e s e i l t ，o n eo fm ek e ya s p e c t sm a tr e s t r i c ta 1 1k i n d so fe l e c t r i c a u t o m o b i l e sd e v e l o p m e mi n c l u d i n gh e v ，i st h ep o w e ra c c u m u l a t o rc e l l s p e r f o n l l a n c ei n d e x i sn o ti d e a l i f w ew a n tt 0m a l 【ee l e c t r i ca u t o m o b i l et oc o m p e t e w i t hm e 舰d i t i o n a li n t e m a lc o m b u s t i o ne n 西n ea u t o m o b i l e ，t h ek e y p r o l b l e i i li st o e n l l a n c em e p o w e ra c c u m u l a t o rc e l l sp e r f o m a i l c e s p e a k i n go fm ee x i s t i n gp o w e r a c c u m u l a t o rc e l l ，h o wt or e a l i z et 1 1 el o s s l e s ss 咖t e g yi 1 1b a t t e sc h a r g e ，t h er e a l t i m e m o l l i t o r i n gb a t t e 拶sc h a r 舀n ga i l dd i s c h a r 舀n gc o n d i t i o n ，t oa v o i dc h a 哂n g o r d i s c _ h a 晒n gu n d u l y ，t og u a r a n t e e 缸l a tb a t t e 哕sp e r f o 肌a i l c ea n dl i f e ，h o wt oc a i r y0 n r e a l t i m eo rm er e g u l a ra u t o m a t i cd i a g n o s i sa n dt h em a i n t e n a l l c et ot h eb a t t e r y ，h o w t o9 1 1 a r a l l t e eb a t t e 哕sr e l i a b l es e i c e t os o l v em e s eq u e s t i o n sn e e d st om a k e e f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l eb a t t e d rm a n a g 锄饥ts y s t 锄( b m s ) e m b e d d e ds y s t 锄sw o r k i n gc o n d i t i o n sa r eq u i t ec o m p l e x m o s t 锄曲e d d e d s y s t 锄sw o r ki nm eb a de l e c t r o m a 印“ce 1 1 v i r o m e l l tw h i c hi sf o m e db y m e s t r o n g e l e c t r i c i t ye l e c t r i cc i r c u i ta n dm es t l o n ge l e c t r i c i t ye q u i p m e n t i l la d d i t i o ns y s t 锄 o n e s e l fa l s oh a se a c hk i n do fe l e c t r o m a 盟e t i s mn o i s e t h e s ed i s t u r b a n c e sd i s a b l et h e s y s t e mm en o 珊a lw o r k ，e 1 1 l a r g em ec o n 仃0 1e 玎o r ，c a u s et h es y s t e i i l sm a l 如n c t i o n ， e v e nc r e a t e st h em a s s i v el o s s b m si so n ek i n do fe i l l b e d d e ds y s t e m ，i t sw o r k i n g c o n d i t i o n sc o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r ye l l l b e d d e ds y s t e l l l sw o n d n gc o n d i t i o n s ，a r e w o r s e 1 1 1 e r e f o r e ，h o wt oe l l l l a i l c eb m s sr e l i a b i l i t yb e c o m e sm ek e yp r o b l 锄i nm e s y s t 锄ss u c c e s s 向ld e v e l o p m e n t t h e t e c l l i l 0 1 0 9 yt oe 1 1 l l a n c et h ee l 】1 b e d d e ds y s t 锄sr e l i a b i l i t yc a nb ed i v i d ei n t o t w o 唧e c t s ，m eh a r d w a r ea 1 1 dt h es o m a r e i fw eo n l yt a k et h eh 矾w a r em e a s u r e s ， l i k et 1 1 ee l e c t 加i m a 印e t i s mi s 0 1 a t i o n ，t h ed e c o u p l i n gf i l t e r ，t l l en o i s ec o l l l p e n s a t i o na l l d s oo n s o m e 丘明u c yb a l l dd i s 劬由a 1 1 c e ss t i l lc a l li n v a d es y s t 锄，s y s t e mc a i ln o t s a t i s 矽a p p l i e dr e q u e s tc o m p l e t e l y s ow en e e dt ot a l ( es o m es o 脚a r em e a s u r e s t h e h a r d w a r et e d m o l o g ya i l ds o f t w a r et e c l l i l i q u e si n g e n i o u su i l i o n ，i st h ep o w e r f h l m e t h o dt oe 1 1 l l a n c em ee l i l b e d d e ds y s t e mr e l i a b i l i t y 2 北方工业大学硕士学位论文 1 l l i sa n i c l ed e v o t e st ob m s sf a i l s a f ea n a l y s i sa n dt h ed e s i 印，i n c l u d e st h e 1 0 r o u g l ld i s c l l s s i o na b o u tv 撕o u sa s p e c t sf a c t o rt h a ti n n u e i l c e ss y s t 锄sr e l i a b i l i 饥 s i m u l t a i l e o l l s l yi n c l u d e st h ei m p r o v e m e n td e s i 盟t om es y s t e mr e l i a b i l i t ) r b m sc a i l w o r kr e l i a b l y 锄ds a f e l yb ye x p 耐m e n t a lc o n 6 肌a t i o n ，碱c hg u a r a n t e e sb a t t e 巧 s y s t e mr e l i a b i l i t ys e r v i c e b m sc o l n p l e t e st h ep r e d e t 翎 1 l i n e d 劬c t i o n k e yw o r d s ：b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) ，r e h a b i u 够，d i s n i r b a n c e 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北方工 些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名孵字日期：c 恬r 月泌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 垦友王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权j 匕友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：才勃萌 签字日期：坼妇泸日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师 签字 电话： 邮编： j 力 月沪日 北方工业大学硕+ 学位论文 1 引言 1 1 研究目的 动力蓄电池是混合动力电动汽车( h e v ) 的动力源泉之一，其工作状态对整 车而言是至关重要的。其主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命等。目前 制约各种电动汽车发展的关键因素之一，是动力蓄电池的性能指标不理想。要使 各种电动汽车能与传统内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、 使用寿命长和成本低廉的动力蓄电池。就现有动力蓄电池而言，如何实现无损电 池的充电策略、实时监控电池的充放电状态、避免过充过放以确保电池组的性能 和寿命，如何对电池进行实时或定期的自动诊断和维护，最大限度地保证电池的 可靠运行。这些问题都需要通过开发有效合理可靠性强的电池管理系统来加以解 决。电池管理系统是一个基于微处理器的实时监控系统，它可以有效地监控电池 状态，从而最大限度地延长电池的使用寿命，并且可以对电池进行实时或定期的 自动诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行，提高整车的燃油经济性。 电池管理系统的主要任务就是检测电池的工作状态，防止发生过充过放等对 电池的损坏行为，并对其剩余电量做出较为准确的估计，将有关信息及时有效的 传递给整车能源管理系统。电池的状态信息对整车能源管理系统合理的协调两个 能源( 内燃机和蓄电池) 之间的关系，以使车辆达到良好的运行模式是至关重要 的。可见，电池管理系统对混合动力电动汽车来说是必不可少的部分。 由于电池管理系统应用的现场有显著特点：一是存在大量的各式各样的干扰 ( 车载其他设备) ；二是应用环境恶劣( 温度高、湿度大、粉尘多、振动剧烈等) 。 因此电池管理系统的可靠性就成为它能否成功应用的最关键问题。在实验室里设 计完成的系统，在调试后符合设计要求，但把系统置入现场后，系统往往不能够 正常稳定的工作。产生这种情况的原因主要是系统的可靠性不够好，不能排除现 场的复杂环境和各种干扰的影响。所以，对系统进行可靠性设计是必不可少的。 1 2 课题来源 国家“十一五”8 6 3 计划“节能与新能源汽车”专题课题h e v 用大功率镍 氢动力电池系统技术研发 北方工业大学硕士学位论文 编号2 0 0 6 a a l1 a 1 5 2 1 3 研究内容 本课题研究的是混合动力电动汽车电池管理系统的可靠性设计。为了使电池 管理系统可靠运行，必须对系统进行可靠性设计。可靠性设计技术的应用，将使 电池管理系统的可靠性提高到一个新水平。 本课题在基于m o t o r o l a 公司的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 芯片的电池管理系统初样的基 础上，对系统的进行了可靠性研究，提出了电池管理系统系统可靠性设计的原则， 并从硬件和软件两个方面探讨了系统可靠性设计的技术途径。 课题不仅采用硬件处理技术，如电磁隔离、去耦滤波等，还采用一些软件抗 干扰的技术以消除侵入系统的某一些频段的干扰。实际运用情况表明，采用硬件 技术和软件技术的巧妙结合，是提高电池管理系统可靠性的有力手段。具体内容 为： 1 ) 对电池管理系统的软硬件各功能模块进行可靠性分析。 2 ) 电池管理系统硬件可靠性设计。 3 ) 电池管理系统软件可靠性设计。 4 ) 硬件技术和软件技术合理结合，提高整个系统可靠性。 2 北方工业大学硕士学位论文 2 电池管理系统发展及研究现状 目前，在国外虽有许多公司和科研机构正在研制和开发电池管理系统，但大 都没有取得明显的效果，实际应用中还存在许多问题。下面介绍电池管理系统所 经历的不同阶段。 2 1 混合动力电动车管理系统的发展 2 1 1 蓄电池管理系统发展的第一个阶段： 在最早的蓄电池管理系统中，认为蓄电池的端电压和蓄电池中的剩余电量呈 对应的关系，系统通过测量蓄电池的端电压来直接反映蓄电池的剩余电量。 蓄电池早期充电方法一般采用恒流方法充电。对于铅酸电池，一般先恒流大 电流充到电池容量的8 0 ，再恒压浮充到容量的1 0 0 。对于镍氢电池，可先采用 小电流或者大电流恒流充电方式，然后用涓流恒压充电，但大电流恒流充电要考 虑散热问题。锂离子电池与铅酸电池类似，一般都采用先恒流后恒压方式充电。 锂离子电池对充电电压敏感，当充电电压超过4 5 v ，将对蓄电池产生永久的损 坏。早期的蓄电池管理系统通过监测蓄电池的端电压来防止蓄电池的过充和深度 放电。例如：锂离子电池充电电压控制在4 1 v 左右，不可以超过4 5 v ；放电电 压不可以低于2 7 v 。蓄电池的充电电路大部分采用p w m 开关电源。p 1 】| m 开关电源 与电力电子器件的发展同步，经过多年的研究，从硬件开关技术发展到谐振开关 技术，进而发展到软开关技术，p w m 开关电源日趋成熟，完全可以满足早期蓄电 池充电电路对恒流源和恒压源的要求。单体蓄电池的电压和容量都比较小，不满 足应用的需要，所以在实际中多为多个电池串连成电池组来用。早期的蓄电池组 管理系统对蓄电池组进行统一的充放电。这样就带来了充放电不均衡的问题。如 果系统为了防止蓄电池组的某个电池过压或者过放而根据蓄电池组中容量最小 的电池进行充放电控制，蓄电池组中有的蓄电池的容量就被浪费掉了。所以电量 均衡必须通过附加充放电电路来保证。早期的蓄电池组管理系统采用附加电路对 高容量电池进行放电来保证容量均衡。从理论上将，这种方法是通过在某个电池 上并联一个稳压管理实现的。这种方法导致了能量损失，所以只能应用在对效率 要求不高的场合。 经过一段时间的实践检验，在早期的蓄电池组管理系统中，用蓄电池的端电 3 北方工业大学硕士学位论文 压来直接反映蓄电池中的剩余电量这种方法暴露了很多问题，主要是由于剩余电 量并不和蓄电池的端电压呈线性关系，并且蓄电池的许多外界因素( 温度、充放 电电流、老化时间) 等也影响蓄电池的剩余容量，这些外界因素之间还存在耦合 关系。 2 1 2 蓄电池管理系统发展的第二个阶段： 随着技术的发展，科研人员针对早期的蓄电池管理系统中出现的问题，提出 了许多改进措施，将蓄电池组管理系统加以完善。其中，蓄电池容量估计模型和 快速充电技术发展很快。有关人士根据实验结果和蓄电池内部化学反应过程，提 出了一些蓄电池容量预估模型。这些模型初步解决了仅使用蓄电池端电压来计算 蓄电池剩余容量误差很大的问题。这些容量估计模型根据分析问题角度和建立模 型的途径不同，可以分为经验模型和等效电路模型。 经验模型是通过反复试验，根据实验得出的数据，整理出的蓄电池剩余容量 与蓄电池外特性( 充放电电流、老化时间、环境温度、负载电压、开路电压等) 之间的关系函数。其中最著名的并且最为广泛的是p e u k e t 方程。经验公式最大 特点是简洁明了，计算简单，并且在一定应用范围内精度可以满足要求。 等效电路模型是以化学理论和热学理论为基础，通过分析蓄电池内复杂的化 学反应以及蓄电池极板和电解液的物理特性和化学特性，用电阻网络来对蓄电池 进行建模。在等效电路模型中，以四阶动力模型最为著名。等效电路模型的特点 是精度高，考虑全面，可以知道蓄电池的设计。但由于等效电路模型阶数高，计 算复杂，很少在实际蓄电池组管理系统中应用。 为了方便用户的使用，推广电动汽车的普及，蓄电池管理系统中，蓄电池的 快速充放电方法得到了科研人员的关注，进行了深度研究，并且取得了一定的成 果。其中，基于美国科学家马斯提出的马斯定律而发展出来的脉冲式快冲方法应 用效果好，是现阶段最流行的蓄电池快速充电方法。脉冲式快速充电方法要求充 电电路阶跃响应速度快( 1 m s 以内) ，然而现有的充电电路基本上都是基于p w m 开关电源的d c d c 变换器或者a c d c 变换器，阶跃响应时间远远不能满足要求， 这就为充电电路的设计提出了难题。充电电路的设计成为蓄电池管理系统的发展 道路伤心的障碍。针对串联蓄电池充放电中出现的不均衡的现象及系统解决方法 中的能量损失问题，科研人员提出了利用开关式电容系统来保证容量的均衡。这 种方法的基本思想是：将电容并联在高容量蓄电池两端吸收多余的电量，然后把 4 北方工业大学硕士学位论文 电容并联在低容量电池两端，将能量转移到低容量电池中。这样，就避免了早期 系统为了解决电量不平衡问题造成的能量损耗。 综上所述，现阶段的蓄电池管理系统及过一段时间的研究和实践，取得了一 定的成果，但还有一些不足： ( 1 ) 实践表明，等效电路模型过于复杂，不适合作为应用中的电量预估模型： 经验模型由于考虑问题不全面，适用范围小，在实际应用中会有较大的误差。 ( 2 ) 为了满足用户对充放电快速性的要求，发展了蓄电池快速充电方法，然 而在现有的充电电路基础上实现比较困难。 2 2 混合动力电动汽车电池管理系统的国内外研究现状 电池管理系统( b m s ) 是混合动力电动汽车越来越重要的一个关键部分，但是 我国在这方面的研究刚刚起步，即使在美国等汽车工业发达国家，其研制工作也 不完善。从有关资料来看，美国一直站在世界汽车技术领域的最前列，在混合动 力电动汽车的电池管理系统的研究方面也走在世界各国的前列。通用汽车公司的 b m s 采用了一个微电脑，对电池组进行管理。监测和控制蓄电池组的充放电工作 状态，提高电池的充放电性能，预测电池组的荷电状态和剩余能量。 在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国随车电池能量管理系统主功 能为：电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、 剩余电量显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当使用 和更换电池，最大限度的提高电池的能量使用率。在德国，西门子公司开发的电 池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电，提高充电 效率，节约了电能。电池管理系统对电池组的工作状况进行监控，检测电池组的 电量消耗和剩余能量等，并将有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置上。通过 d c d c 变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行。 在日本，本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模块、车载 充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如果电动汽 车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全。 我国对电动车的发展十分重视，在十五规划中被列为国家高科技攻关项 目，同时被列为国家8 6 3 科技攻关项目，现在零排放电动车的技术已经逐渐 成熟并已开始商品化，一次充电行程也能满足市区交通的要求。大规模应用的主 5 北方工业大学硕士学位论文 要困难是电池和相应的电动车成本太高，无论从环保角度看，还是从能源角度看， 未来电动车都需要有一个大的发展，其开发将关系到众多工业的兴衰，可能成为 未来新的经济增长点。我国电动车更有着独特的市场，大都市都普遍存在十分严 重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，作为一种小型，中速和短途的日常交通 工具，电动车是十分理想的，在中国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。 研究电动车能量管理系统的关键是正确估计蓄电池的剩余电量，对电动车的用电 进行管理以及防止电动车运行时产生对电池的危害。从目前来看，蓄电池作为电 动车电源，上有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，近年来技术已日趋完 善，所以蓄电池当前仍是电动车的主要动力来源。电动车能量管理系统是发展电 动车的关键技术之一，是电动车商品化，实用化的关键。对电动车能量管理系统 研究的要点是如何掌握蓄电池组中每个电池单元的状态，并据此对蓄电池进行管 理，合理分配系统进出能量以保持蓄电池的一致性，提高整个蓄电池的寿命，平 滑瞬时电流的冲击，提高能量利用率，从而提高电动车的整车性能。 6 北方工业大学硕士学位论文 3 电池管理系统的可靠性设计要求及设计原则 3 1 可靠性设计要求 电池管理系统的应用环境和条件都比较恶劣，为保证其可靠性在设计要求上 有很多问题需要在进行系统设计时认真加以考虑。 1 ) 实现用户功能上的需求 系统设计，首先是满足用户功能的需求。用户利用设计的系统去测量某些特 定的参数，要求达到某种精度、速度，以及显示、报警等诸多要求，因此所设计 的系统首先是要满足这些要求。用户的需求是系统设计的依据，用户的功能上的 需求必须予以实现。 2 ) 系统操作性能的要求 对于电池管理系统来说，与通用计算机一样，希望人机界面友好、操作方便。 从使用者角度来说，系统的操作使用越简单越好。 3 ) 实时性的要求 电池管理系统的一大特点就是必须对事件做出实时响应和处理。因为，在电 池管理系统中，对事件的响应提出规定的时限，要求刻不容缓的进行处理。比如 系统发现电池温度过高需要立即启动风扇冷却降温，同时向外发出警报；发现严 重故障时更是要求系统能够立即报警并切断电池的对外供电线路等等。由于要求 实时响应的事件比较多，所以必须认真对待。事件有随机出现的、非周期性的( 例 如故障的发生) ，也有周期性发生的( 比如上报给整车控制系统的c a n 总线数据， 要求一定的周期) 。对于前者，在系统设计时必须考虑到最坏情况，即最大出现 率情况下，如何应对这种情况；对于后者，在设计时必须保证系统有足够的性能 来响应它们。 4 ) 可靠性和安全性的要求 高可靠性和安全性是电池管理系统的又一大特点。由于系统工作于混合动力 大巴上，一旦出现故障，有可能造成车辆损坏和交通事故，甚至产生更严重的后 果。因此，可靠性是电池管理系统最重要、最突出的其本要求。可以这样说，可 靠性是电池管理系统的生命线。 5 ) 适应环境要求 7 北方工业大学硕士学位论文 电池管理系统的环境适应能力也是极为重要的。这是因为，电池管理系统工 作环境十分恶劣。电池管理系统必须适应用户环境的要求，只有这样才能保证系 统长期稳定、可靠的工作。 6 ) 设计周期短、价格便宜 由于计算机发展非常快，因此，电池管理系统设计必须使其设计周期尽可能 短。经验证明，若一个系统拖好几年还不能设计完成，则这个系统肯定结果不好， 甚至失去了应用价值。降低系统成本，使系统具有尽可能高的性价比，这是系统 设计者追求的目标。 7 ) 体积、重量及安装方式 由于电池管理系统安装在混合动力大巴上，因此对系统的体积、重量、功耗、 安装方式等方面有严格要求。 8 ) 通用性、可扩展性 在进行系统设计时应尽量做到通用性好、便于扩展。 本文所做的工作就是在电池管理系统设计过程中，在完成上述的前三步( 1 实现用户功能上的需求；2 系统操作性能的要求；3 实时性的要求) 基本功能后， 为使系统满足可靠性和安全性的要求，适应环境要求，而采取的可靠性设计措施。 最终保证系统在实际应用环境中能够可靠安全的工作。 3 2 可靠性设计原则 本文对电池管理系统进行可靠性设计所采取的原则，就是针对电池管理系统 硬件和软件各功能模块进行可靠性分析，通过实验找出各功能模块中存在的可靠 性隐患，对关键器件和电路重点考虑( 这里所说的关键器件和关键电路是指的对 系统可靠性有着显著影响的期间和电路) ，从而提出改进措施。 8 北方工业大学硕士学位论文 4 提高电池管理系统可靠性的硬件方法 4 1 电压采集功能模块可靠性分析及设计措施 电池管理系统中对电压的采样原理如下图所示： 固 态 逻辑控制单元 继 电 c p u 器 阵 i 隔离蝌元h 加l 列 图4 一l电压采样原理图 电池组是由很多单体串联而成的，电压高达上百伏，确保其安全是非常重要 的。用于系统工作的弱电只有几伏，因此被测电压与系统工作所需的低电压二者 的隔离尤为重要，否则轻则对系统可靠性产生不良影响，重则会对电池乃至整车 的安全运行产生影响。系统采用的隔离方案如下图示： 9 北方工业大学硕+ 学位论文 图4 2电压采样隔离措施 混合动力电动汽车的蓄电池电压多在3 0 0 一4 0 0 伏之间，由多个蓄电池串联组 成，个别电动车由于动力的需求会使得蓄电池总电压达到5 0 0 多伏。测量时以多 个单体为一组，组成电池模块，测量模块电压。模块电压一般在十几伏到二十几 伏。电压采样回路中共有两级隔离，第一级是是上图中的固态继电器阵列，第二 级采用隔离放大单元。固态继电器阵列由光电隔离继电器a q w 2 1 4 组成，该继 电器隔离电压为1 5 0 0 v ，灵敏度高，无需专门驱动电路，并且响应速度快，导通 电阻稳定，开路漏电电流极低。a q w 2 1 4 电气原理图见下图： 1 0 北方工业大学硕士学位论文 8 串仂已童 7 ， 6 z 仂已吾 5 图4 3a q w 2 1 4 电气原理图 隔离放大单元选择线性隔离放大器a d 2 0 2 。a d 2 0 2 是变压器耦合两端隔离 放大器，采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级，输 入级内置一个独立的运算放大器作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能。 输出级是对信号进行解调，滤波与放大。内置d c d c 变换为运算放大器和其他模 块的运行提供电源，通过变压器耦合实现了电路输出信号和输入信号的隔离。 f u n c t l o n a lb l o c kd 虿a g r a m 图4 4a d 2 0 2 内部结构 c p u 通过控制光电隔离继电器阵列中各个a q w 2 1 4 的开关状态将被测高压 1 1 北方工业大学硕士学位论文 送到隔离放大单元a d 2 0 2 输入端，隔离放大单元a d 2 0 2 的输出送，d 转换器。 实验证明电路简单、适用、可靠。 4 2 电流采集功能模块可靠性分析及设计措施 电流采集功能模块是将3 0 0 安培到+ 3 0 0 安培电流转换为电压信号，然后送 给怕进行变换。由于对电池组的充放电电流的记录是估计电池剩余电量( s o c ) 的重要依据之一，因此要求电流转换隔离放大单元在较大范围内有较高的精度， 较强的抗干扰能力，较好的零漂、温漂抑制能力，和较低的线性度误差。我们采 用电流传感器l t 3 0 8 ( l e m ) ，其外观及接线图如下： 图4 5l 脚外观及接线图 该电流传感器是基于霍尔原理的闭环( 补偿) 电流传感器，具有出色的精度、 良好的线性度和最佳的反应时间，同时也具有很好的抗干扰能力。其测量电路示 意图如下图示： 1 2 北方工业大学硕+ 学位论文 图4 6 电流采样电路不意图 l e m 的输入电流经过可调电阻l 也转变为电压信号，可调电阻用于调节电流 与其对应的电压之间的比例关系。由于从l e m 过来的电流是双向的，因此其转 换得到的电压是以地( g n d ) 为中心变化的一个正负电压，而我们选用的模数转换 器a d 1 8 6 是单向的，因此必须将其电压提供至o v 以上。为此，电路中加入一 个加法器( 前端运算放大器) ，它的作用是将以0 v 为中心的正负电压提升至以 2 5 v 为中心的j 下电压。后端的运算放大器为一个反相器，将由加法器得到的负 电压转换为正电压，同时起到功率放大作用。通过两级运放，最终将信号变为 0 5 v 的标准信号进入a d 转换器。 由上面的原理分析可知，电阻r 1 前端的2 5 v 电压的重要性，它的稳定性 关系到电流采样系统零点的稳定，对电流采样有重要意义。最初设计中采用高精 度的电压参考源l m 4 0 4 0 ，其常温下的输出精度可以达到精度要求，但在温度发 生变化时，即在温度从2 0 。c 升至5 0 。c 时，会有l n 的温漂，由于系统采 用的l e m 的比例系数为l ：2 0 0 0 ，即1 m v 的电压变化将会引起2 a 的电流变化， 这样就使得电流采样的精度达不到要求，因此需要重新对此电压基准源进行选 择，以代替l ，m 4 0 4 0 。 4 3 温度采集功能模块可靠性分析及设计措施 电池管理系统中对电池温度的采集是采用热敏电阻测量的方法，系统选用负 1 3 北方t 业大学硕士学位论文 温度系数的热敏电阻，它是一种热敏性半导体电阻器，其电阻值随着温度的升高 而下降。图4 7 是利用热敏电阻测量温度电路。 电阻r 1 将热敏电阻的电压拉升至i j 参考电压，一般它与a d c 的参考电压一 致，热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化， 该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。因此要注意对 热敏电阻及普通电阻的选型，同时还要注意参考电压的精度。对于电阻的选型将 在后文中集中介绍基本原则。而对于参考电压的设计，系统中选用l m 7 8 0 5 ，其 输入电压范围大，输出精度高。 另外值得注意的是，由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的 热量，因此设计时应确保拉升电阻足够大，以防止热敏电阻自热过度，否则系统 测量的是热敏电阻发出的热而产生的温度，而不是周围环境的温度。 v e f 10 k 瞽嫠 输入到a d c 图4 7 热敏电阻测温原理图 4 4 各采样功能模块通用部分的可靠性分析及设计措施 对于电池管理系统的电压、电流和温度采样电路中，都有运放和a d 转化 部分，下面对这两部分的可靠性进行分析，并提出设计措施。 4 4 1 采样电路中运算放大器的使用 运算放大器的基本特征是差动输入、高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗， 运算放大器的差动输入对减少共模干扰是十分有利的。使用中要注意防止产生自 激。由于运放的增益较高，使用中容易产生自激。需进行补偿以消除自激。即在 1 4 北方工业大学硕士学位论文 运放的补偿端接上补偿元件。如图4 8 所示为消除自激震荡的方法： r f 1 图1图2 图4 8 消除运算放大器自激震荡的方法 图1 中，运算放大器的输出端接有容性负载。容性负载使相移增加，容易引 起自激震荡。在电路中加上由r f 和c f 构成的校正元件，它们的超前与容性负载 的滞后相抵消，可有效地避免自激震荡的发生。图2 中，由于运算放大器的输入 传输线比较长，其线间及传输线对地问的电容比较大( 如图中连接的三个电容) ， 容易造成电路工作不稳定，产生自激震荡。可以再输入输出端并联c f ，也可以 在输入端并接r c 校正网络。 总之，在使用运放时，必须注意采取措施，防止自激震荡的发生。 4 4 2 采样电路中a d 变换器的使用 在电池管理系统中我们需要测量的量有电池电压、电流和温度。由于电流的 测量最为重要，因此在设计选用a d 器件时，首先考虑的就是如何满足电流的快 速变化，其次为简化设计、提高可靠性，选用多通道的a d 模块。m a x l 8 6 是一 个采用逐次逼近a d 转换技术的高速超低功耗模数转换器。内部具有8 通道多 路转换器、宽带跟踪保持电路和串行接口。8 路单端输入或4 路差动输入可 由软件设定，转换结果由串行接口输出。分辨率为1 2 位，采样速度达1 3 3 k h z ， 1s 北方工业人学硕士学位论文 芯片可由单5 v 或双5 v 电源供电。其串行接口可与s p i t m 、q s p i t m 、 w i c r o w i r e t m 兼容。可采用内部时钟或外部时钟完成a d 转换。内部基准电压 为4 0 9 6 v ，具有硬件关断和两种软件关断模式。首先m a x l 8 6 采样速度可以满 足被测电流的快速变化，其次它的工作方式灵活可供选择，差动输入、双电源供 电、内外基准电源都为提高可高可靠性提供了基础条件。同时由于系统所采用的 芯片m c 9 s 1 2 d g l 2 8 具有集成的a d 模块，精度为十位，可以满足对温度的采样要 求，所以对温度的采样不通过m a x l 8 6 ，而直接由单片机内部a d 进行模数转换， 这样一来硬件设计上就有了一定的冗余度，避免了由于a d 部分产生故障，从而 导致系统中所有参数的采样，即电压、电流和温度的采样全部瘫痪的风险，增加 了系统可靠性。 m a x l 8 6 可以使用内外两种基准电源，为简化电路设计，系统设计中最初为 其选用了内部基准电源，但在实验室即车载试验中均发现工作中，该内部基准电 源不稳定，导致采样数据不准确，为提高可靠性，在硬件电路设计上为m a x l 8 6 配置了精准外部基准源，这样在其工作时，可以在m a x l 8 6 的软件中对基准源的 类型进行选择。 由于a d 芯片在采样系统中的重要地位和作用，其对整个系统的可靠性有 显著的影响。介于此，系统设计中还采取了针对a d 芯片进行故障检测的可靠性 措施，即在a d 芯片一旦发生故障情况下，要能够尽快检测出来，以免系统将由 a d 出来的故障数据作为判据，而发出种种错误报警信息。有两种故障诊断的方 法可供采用： a ) 奇异数据判断在电池管理系统中，a ，d 变换器对电池的电压、电流和温 度进行a d 变换，以便使计算机获得数据。在对数据的变换过程中，可对，d 变换的数据进行最简单的辨别。如果出现根本不可能的数据，或者不应出现的数 据，则应采取措施，重新采集数据或显示报警。例如，对温度采样时，由于温度 的惯性很大，如果在短时间内发现温度数据变化很大，出现了不应出现的数据， 则认为a d 变换可能有问题。对电流的变换，因为知道电流的变化范围有多大， 也就知道a d 输出范围是多少，则若是变换后的数据超范围了就表示a d 可能 有问题了。 b ) 利用校准信号系统中采用了1 8 6 作为a ，d 变换芯片，其精度为十 二位，有八个模拟门作为输入端。其中只用了两个输入端对电流和电压进行采样， 1 6 北方工业大学硕士学位论文 所以有六个多余的输入端，利用将其中一个输入端接上固定的校准电平。在启动 a d 变换工作时，先对固定的校正电平进行变换，判断所得的数据，从而得知 加变换器工作是否正常。若正常即可进行下面的采集程序；若不正常，可转向 故障处理。值得注意的是，校正电平应该选用高精度的电源集成电路的输出，保 证其值的稳定。 在进行电压和电流数据采集前，先对校正电平进行采集。由于校准电压已 知，则其d 变换后的数值也是预知的。若其数字量在规定的欲知范围内，则 说明a d 变换器工作正常。若超出了规定的欲知范围，则说明a d 变换器工作 不正常，进入故障处理。 电池管理系统中采用了利用校准信号进行检测的方法，硬件电路上， 1 8 6 的第一个和第二个模拟输入门分别对电池组的电压和电流进行采样，第 三个模拟输入门接入一个固定电平，作为校准电平。而其他5 个模拟输入门虽然 没有用到，但为保证m a x l 8 6 的可靠运行，以免产生干扰，将这5 个模拟输入 门通过电阻都接到地上。 4 4 3 抗信号传输过程产生的干扰 系统在采样过程中，温度传感器、电流互感器会有噪声干扰产生，信号在传 输时，传输线上也会因为辐射产生干扰。一般来说，这种干扰频率都比较高，而 有用信号频率都很低。基于这种情况，在信号传输线的终端( 即接收端) 加一低 通滤波器，将高频的干扰滤除，留下低频的有用信号。 另外针对在信号传输线上耦合产生的干扰，采取屏蔽措施切断耦合途径。电 压、电流和温度采样信号传输线均采用屏蔽电缆进行传输。采用屏蔽电缆传输信 号可以有效的屏蔽高频辐射的干扰。在使用中，将传输线外面的屏蔽层有效的接 地，从而使其内部的传输线不受辐射的干扰。 4 5 输出控制功能模块可靠性分析及设计措施 在电池管理系统中，需要一定的数字量输出，例如对电池风扇的控制，对高 压继电器的控制。如果不采取隔离措施，c p u 通过某个管脚驱动三极管，三极 管的输出控制系统上的继电器完成输出控制功能，这样的情况下，一旦风机和高 压外电路出现短路等故障，就会直接损坏电池管理系统。因此必须采取隔离输出 的方案，c p u 通过某个管脚作为数字量输出口，经过光耦隔离后输出，对风机 1 7 北方工业大学硕士学位论文 和高压继电器进行控制。如下图所示： 高压2 4 v 图4 9 数字隔离输出示意图 隔离器件选用t l p 5 2 1 ，图中v c c 和2 4 v c t l 由不同电源提供，以保证实现 隔离。 4 6c p u 功能模块可靠性分析及设计措施 4 6 1 集成度高的单片机 系统采用的单片机集成度越高，构成系统所用元器件就越少，系统的可靠性 就会提高。电池管理系统采用的单片机为m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ，m c 9 s 1 2 d g l 2 8 微控 制器是m o t o r 0 1 a 公司m 6 8 h c l 2 系列1 6 位单片机中的一种，其内部结构主要有 单片机基本部分和c a n 功能块部分组成，基本结构包括：中央处理器单元 h c s l 2 ( c p u ) 、2 个异步串行通信口s c i 、2 个同步串行通信口s p i ，8 通道输 入捕捉输出比较定时器，1 个8 通道脉宽调制模块以及4 9 个独立数字i o 口( 其 中2 0 个具有外部中断及唤醒功能) ，在片内还拥有1 2 8 k b 的f l a s hr o m ，8 k b 的r a m 和2 k b 的e e p r o m ，c a n 功能块包括两个兼容c a n 2 o b 协议的 1 8 北方工业大学硕士学位论文 m s c a n 控制器组成，这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足系统对各种 数据的处理、c a n 网络数据的发送和接收要求，芯片集成了两个m s c a n l 2 模 块，能够实现高低速c a n 网络的网关节点功能。 4 6 2 复位电路和时钟电路 对嵌入式系统而言，时钟及复位电路是十分重要的，它们工作若不稳定，必 然导致整个系统工作的不稳定。 为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位 电路的第一功能是上电复位。 微机电路在工作中受到干扰后，容易出现c p u 程序“跑飞”而盲目运行甚至 出现死机现象。此时复位信号有效，使微机系统重新恢复正常运行。这种监视 c p u 运行的电路称为w a t c h d o g 电路。一般常用的复位电路有以下几种： a ) 微分复位电路 图4 1 0 为一微分复位电路，当电源v c c 上电时，因电容c 两端电压不能突 变，所以r e so u t 在上电时会有一段时间为高电平，复位有效。持续一段时间后， 复位撤除，微机开始工作。该电路唯一优点是电路简单。但它有很多缺点：a 、 当v c c 电压不足4 7 5 v 时，r e so u t 也可能已撤除，因为它没有v c c 检测电路； b 、因是微分电路，容易引入高频干扰；c 、当c p u 出现死机时，该电路不能引起 复位，不具备w a t c h d o g 的功能。 叫下 b ) 改进型微分复位电路 图4 1 0 微分复位电路 1 9 北方工业大学硕士学位论文 y c e 露+ 蛙e lr e s 咖 图4 1 1 改进型微分复位电路 图4 一1 1 是图4 2 的改进型，使用时r 1 1 c 1 2 。与图4 9 的电路 相比，它只是克服了高频干扰，其他缺点仍然存在。 c ) 一种可靠的复位电路 图4 一1 2 一种可靠的复位电路 图4 1 2 是一种可靠的复位电路，由四部分组成：a 、或非门u 1 、u 2 与r 1 、 r 2 、c 3 构成高低电平相问的矩形波振荡电路。当u 3 的输出端q = h 时，复位信号 无效，当q = l 时，复位信号有效。复位信号有两个，是为了适应不同的c p u 及接 口芯片；b 、v c c 检测电路。u 4 与r 3 、r 4 、r 5 、z 1 等构成v c c 检测电路，只要 v c c 4 7 5 v ，那么比较器同相端电压v 2 4 7 5 v 时， 最初一段时间内，因c 1 电压不突变，故u 3 的c l r = l ，复位信号有效。这段时间 是为了保证微机系统的晶振稳定振荡后才允许c p u 工作；d 、u 3 、r 9 、c 2 与p u l s e i n 构成c p u 运行监视单元，即w a t c h d o g 电路。u 3 是一单稳态触发电路芯片，在 电源正常后，引脚2 、3 为高电平，引脚1 为输入信号p u l s ei n 。该信号由c p u 提供，只要在时间t (