機車車載動力電池管理系統(tǒng)硬件冗余保護設(shè)計

李路德 徐世達 李軍 韓聳 朱子陽 孟學(xué)東

摘要：以3000馬力混合動力（重混）機車動力電池系統(tǒng)為載體，基于電池管理系統(tǒng)的硬件保護功能為研究對象，從功能需求、電路方案設(shè)計出發(fā)，開發(fā)了一款電池模組單體溫度采集及硬件保護裝置，配合電池管理系統(tǒng)使用，增加了動力電池系統(tǒng)的安全性能，為更加安全的應(yīng)用動力電池提供了保障。

關(guān)鍵詞：混合動力 機車 電池管理系統(tǒng) 硬件保護

中圖分類號：U267.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：B

1.需求分析

3000馬力混合動力機車的現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)實時檢測了每一塊單體電池的電壓，卻沒有實時檢測每一塊單體電池的溫度，檢測點較少，容易出現(xiàn)單體高溫卻檢測不到的情況。除此之外，當(dāng)電池系統(tǒng)出現(xiàn)單體過溫過壓的時候，也只能通過主板分析數(shù)據(jù)得到故障信息并切斷電池系統(tǒng)主回路的接觸器，一旦出現(xiàn)主板CPU失效或者軟件失效的情況，就難以發(fā)現(xiàn)故障并切斷主回路接觸器，有一定的安全隱患。

為此，就需要開發(fā)一款可以解決以上問題的裝置，此裝置需要的主要功能為：

1）實時采集每一塊單體電池的溫度信息;

2）可以實現(xiàn)純硬件的過溫保護;

3）可以實現(xiàn)純硬件的單體過壓保護;

4）可以將信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)上傳給主板。

2.硬件設(shè)計

2.1整體方案設(shè)計

經(jīng)過分析設(shè)計，本裝置主要包括CPU、溫度采集電路、過溫保護電路、過壓保護電路、繼電器信號輸出電路和CAN總線信號電路。

2.2溫度采集電路設(shè)計

本裝置的溫度采集電路如圖1所示。此電路的主要工作原理為：R1和溫度傳感器串聯(lián)接入4.096V的參考電壓之中，AD芯片實時采集NTC兩端電壓并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號傳給CPU，CPU通過電壓值計算出NTC的阻值，再由NTC的溫度-阻值對應(yīng)表來計算出實時的電池單體溫度。

2.3過溫保護電路設(shè)計

3000馬力混合動力機車要求電池溫度達到70℃則進行保護，低于55℃恢復(fù)，所以不能簡單地只進行比較，還需要加入滯環(huán)。

2.4過壓保護電路設(shè)計

3000馬力混合動力機車所用電池類型為鈦酸鋰電池，鈦酸鋰電池單體充放電范圍在1.5V～2.8V之間，本裝置設(shè)定保護上限為3V，電路設(shè)計采用下圖2所示保護電路。

2.5耐壓設(shè)計

根據(jù)《GB/T 21413.1-2008 鐵路應(yīng)用機車車輛電氣設(shè)備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則》，3000馬力混合動力機車電池系統(tǒng)電壓等級達到了1500V，所以耐壓值需要達到5000VAC。

3.功能測試及驗證

3.1溫度采集精度測試

將本裝置及其溫度傳感器一起放入溫箱中，調(diào)節(jié)溫箱溫度，通過CAN總線來讀取本裝置采集到的溫度值。

本裝置的溫度采集一致性良好，低溫情況下的精度略低于常溫和高溫時的精度，但最大誤差不超過2℃，在可接受范圍內(nèi)，符合使用要求。

3.2過溫保護功能測試

將本裝置及其溫度傳感器一起放入溫箱中，升高溫箱溫度，通過上位機來觀察繼電器狀態(tài)，當(dāng)繼電器報警之后，開始降低溫箱溫度，當(dāng)觀察到繼電器恢復(fù)后，可停止一次實驗。

通過測試可知本裝置的過溫保護功能可以很好的實現(xiàn)，高溫報警值低于所設(shè)上限溫度1℃，恢復(fù)溫度和所設(shè)恢復(fù)溫度一致，皆在可接受范圍內(nèi)，符合使用要求。

3.3過壓保護功能測試

將本裝置放入溫箱中，調(diào)整三種不同溫度，調(diào)整本裝置電壓輸入測電壓，通過上位機來觀察繼電器狀態(tài)，當(dāng)繼電器報警時，記錄此時電壓.

通過測試可知，本裝置的過壓保護功能也可以很好的實現(xiàn)，當(dāng)單體電壓達到3V左右的時候，繼電器輸出報警信號。皆在可接受范圍內(nèi)，符合使用要求。

3.4絕緣耐壓測試

本裝置電壓輸入電路構(gòu)成A;溫度采集電路構(gòu)成B;電源正負(fù)極構(gòu)成C;CAN通訊CANH引腳和CANL引腳構(gòu)成D;外殼構(gòu)成E。

得出結(jié)論，本裝置絕緣耐壓符合要求。

4.結(jié)論

從3000馬力混合動力（重混）機車的現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)的不足出發(fā)，分析不足點，提出解決方案，設(shè)計了一種溫度采集和過溫過壓保護裝置，解決了現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)的不足之處。經(jīng)過功能設(shè)計，具體電路方案設(shè)計，又經(jīng)過樣品的功能驗證。此裝置通過與電池管理系統(tǒng)配合使用，實現(xiàn)了每一個電池單體電壓和溫度的采集，消除了部分電池單體溫度采集不到的隱患。

參考文獻：

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