混合動力汽車氫鎳電池組模塊電壓檢測方法

蔣中明， 鐘發(fā)平， 王崧浩， 吳純?nèi)A

(科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司，廣東佛山528000)

混合動力汽車一般采用氫鎳動力電池組作為輔助動力輸出，在滿足系統(tǒng)電壓、功率及整車動力性能需求等條件下，還要具有良好的一致性和安全性。電池管理系統(tǒng)(BMS)是動力電池系統(tǒng)控制的“大腦”，通過對動力電池參數(shù)如電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行實時而準(zhǔn)確的檢測[1-2]，來完成動力電池系統(tǒng)故障診斷、荷電狀態(tài)(SOC)值估算、續(xù)航里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警、充放電模式選擇等功能，并通過CAN 總線與整車控制器進(jìn)行信息交互。

BMS 的所有算法都是以采集動力電池相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)[3-4]。電池組單體電壓是動力電池組管理系統(tǒng)的重要參量，其監(jiān)測的實時性和精度決定了系統(tǒng)對電池狀態(tài)信息判斷的準(zhǔn)確程度，并進(jìn)一步影響后續(xù)控制策略是否能有效實施。目前市場上動力電池組單體電壓采樣主要有以下兩種方法：(1)恒流源法：恒流源法電路是將電池的端電壓轉(zhuǎn)化成與之呈線性變化關(guān)系的電流信號，以此提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在大多數(shù)的恒流源法單體電池電壓測量電路中，多采用集成運算放大器和絕緣柵型場效應(yīng)晶體管組成，該電路結(jié)構(gòu)較為簡單、共模抑制能力較強，但是由于集成運放輸入差模電壓不可忽略，同時需要額外增加電氣隔離電路，從而增加了系統(tǒng)的成本。(2)線性光耦放大電路采樣法：采用線性光耦放大電路進(jìn)行單體電池采樣可以實現(xiàn)信號采集端與處理的電氣隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，同時可以使模擬信號保持較好的線性度，缺點是電路相對復(fù)雜、影響精度的因素較多、成本較高。

針對現(xiàn)有動力電池組單體電池電壓采樣電路的成本高、電路復(fù)雜及采樣精度不高等問題，本文提出一種氫鎳動力電池組電池模塊電壓的采樣電路，該電路采用光繼電器與飛渡電容結(jié)合實現(xiàn)，具有電氣隔離性好、電路簡單、成本低、一致性好等特點，已在混合動力氫鎳電池組電池管理系統(tǒng)中實際應(yīng)用，可靠性和精度都能滿足設(shè)計需要。

1 氫鎳動力電池組模塊電壓采樣原理

1.1 電池組模塊成組方式

混合動力氫鎳電池組模塊一般有L5 或者L6 串聯(lián)成組方式[5]，成組后的電池統(tǒng)稱為模塊電池。以1 個總壓為288 V 的電池Pack 為例，單體電芯電壓為1.2 V，48 根L5 型氫鎳電池串聯(lián)而成，如圖1 所示。

圖1 電池組成組方式(L5)

由于氫鎳電池組具有良好的一致性，在對模塊電池的采樣中，一般以4 根模塊為一組采樣，稱為一個Block 電壓，這樣48 根模塊電池組就只需要設(shè)置12 路Block 電壓采樣點。

1.2 電池組模塊電壓采樣原理

本文介紹的氫鎳動力電池組模塊電壓采樣電路主要包括信號采樣輸入端、光繼電器隔離、譯碼選通控制、飛渡電容充放電、運算放大器及單片機(jī)等模塊。信號輸入端為每4 根模塊電壓構(gòu)成一路Block 電壓；氫鎳電池單個電芯的電壓范圍為VC=1.0～1.6 V，采用L5 單體電池成組方式，4 根模塊為一個Block 采樣通道，每個Block 采樣通道的電壓為Vm=VC×4×5；因此Vm的電壓范圍為20～32 V；光繼電器用來實現(xiàn)信號輸入端與采樣端的電氣隔離，光繼電器的選擇要滿足動力電池系統(tǒng)耐壓要求；同時考慮光繼電器開關(guān)導(dǎo)通電阻盡量小，以降低開關(guān)損耗。實際應(yīng)用中一般選用耐壓≥600 V，導(dǎo)通電阻為幾個毫歐的光繼電器管；譯碼選通控制由單片機(jī)IO 輸出控制，利用譯碼器單選通原理，控制光繼電器的開通和關(guān)斷，對動力電池組模組電壓進(jìn)行輪詢選通輸入控制[1]，結(jié)合飛渡電容充放電和單片機(jī)控制邏輯，實現(xiàn)對動力電池模組電壓的輪詢采樣，圖2 為動力電池組的Block 電壓采樣框圖。

圖2 動力電池Block電壓采樣框圖

由圖2 可知，CBAT1 和CBAT7 為通過譯碼器輸出的控制信號，奇數(shù)和偶數(shù)控制信號分別由不同的譯碼器輸出，根據(jù)譯碼器同時只有一種狀態(tài)輸出的特性，避免了奇數(shù)端或者偶數(shù)端同時導(dǎo)通的可能，防止Block 之間短路的情況。

以Block1 電壓采樣進(jìn)行說明：單片機(jī)輸出IO 信號控制V_A1 和V_A2 光繼電器可靠關(guān)斷，通過單片機(jī)控制譯碼器輸出CBAT1 和CBAT2 信號控制高壓側(cè)光繼電器開通，這樣高壓和低壓部分電氣完全隔離，保證了系統(tǒng)安全，這時Block1電壓通過光繼電器對飛渡電容充電，充電時間常數(shù)為τ=RC，經(jīng)過一段時間后，飛渡電容兩端電壓穩(wěn)定為Block1 電壓，單片機(jī)通過譯碼輸出CBAT1 和CBAT2 信號控制高壓側(cè)光繼電器可靠斷開，然后單片機(jī)輸出控制V_A1 和V_A2 信號控制低壓側(cè)光繼電器開通，這時高壓回路切斷，低壓回路接通，飛渡電容兩端的電壓通過差分運算放大器進(jìn)行放大，最后輸入到單片機(jī)的AD 口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[6]。軟件通過一定的控制邏輯和時序，可以完成Block2～Block6 電壓采集。

需要注意的是，高低壓電氣隔離安全是通過光繼電器來實現(xiàn)的，高低壓部分的光繼電器的開通和關(guān)斷必須嚴(yán)格遵守一定的控制邏輯和時序；同時，為了防止由于單片機(jī)程序跑飛或者程序調(diào)試時沒有嚴(yán)格按照控制時序而導(dǎo)致高低壓部分的光繼電器同時導(dǎo)通，會在低壓側(cè)電路中引入高壓導(dǎo)致電路線路或元器件損毀，因此必須在硬件電路的實現(xiàn)上加以規(guī)避。

2 模塊電壓采樣硬件設(shè)計

2.1 概述

采用光繼電器與飛渡電容實現(xiàn)氫鎳動力電池組模塊電壓檢測的硬件電路具有電氣隔離性好、成本較低的優(yōu)勢，只需要軟件按照一定的控制邏輯，就能實現(xiàn)多組模塊電壓的輪詢采樣。由于低壓部分的電壓采樣是在飛渡電容兩端電壓穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，與充放電時間常數(shù)RC 的精度無關(guān)，因此采樣的精度比較高，采樣重復(fù)性好。

本文介紹的氫鎳動力電池組模塊電壓采樣管理6 Ah 氫鎳電池，共48 根模塊，采用4 根模塊一組，共需要12 路采樣通道；電壓采樣選用基于Power PC 架構(gòu)的16 位汽車級單片機(jī)MC9S12GA192，主頻25 MHz，F(xiàn)lash 192 K，Ram 12 K；光繼電器一般選用負(fù)載電壓600 V 以上，負(fù)載電流80 mA 左右，輸入輸出間的絕緣電壓達(dá)到3 000 V 以上，保證高低壓側(cè)的電氣充分隔離，本文光繼電器選用某公司產(chǎn)品AQW216，雙通道；飛渡電容要求滿足AECQ200，耐壓在300 V 以上，容值影響充放電的時間常數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的需求，一般用0.47 μF；運算放大器要求選用高精度高穩(wěn)定性的軌對軌運算放大器，本文選用ST 的TS9222，是失調(diào)電壓低、低噪高速的車規(guī)級產(chǎn)品，寬電壓范圍，可滿足汽車控制器產(chǎn)品的應(yīng)用。

2.2 電池組模塊電壓采樣隔離電路設(shè)計

模塊電壓采樣隔離電路如圖3 所示。圖3 中：U1～U4 為高壓側(cè)光繼電器，每個光繼電器有2 個通道，Block1～Block7分別與6 個電池模組的模塊電壓連接；CBAT1～CBAT7 為單片機(jī)經(jīng)譯碼器輸出的控制信號，為低電平時相應(yīng)的光繼電器導(dǎo)通；通過一定的控制邏輯和控制時序，使Block1～Block7 按順序兩兩導(dǎo)通，分別對飛渡電容正向和反向充電，充電時間常數(shù)取決于RC 值。

Block 電壓采樣位于整個系統(tǒng)隔離電路的高壓側(cè)，在對飛渡電容進(jìn)行充電的過程中，通過單片機(jī)控制低壓側(cè)的開關(guān)S1 和S2 關(guān)斷；在飛渡電容兩端電壓穩(wěn)定后，控制高壓側(cè)U1～U4 光繼電器斷開，低壓側(cè)開關(guān)S1 和S2 閉合，將飛渡電容兩端的穩(wěn)定電壓送到運算放大器進(jìn)行差分采樣，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供軟件和策略使用。

通過這種飛渡電容充電方法可以實現(xiàn)高低壓側(cè)的電系統(tǒng)完全隔離，保證了系統(tǒng)安全，另外由于是在電容兩端電壓穩(wěn)定的情況下進(jìn)行低壓采用，精度不受RC 誤差的影響，保證了系統(tǒng)的精度。

圖3 模塊電壓采樣隔離電路

2.3 差分運放采樣電路設(shè)計

模塊電壓差分采樣電路如圖4 所示，V+和V-為飛渡電容兩端的電壓，即動力電池組BLock 電壓，在本文中為4 根L5的電芯的總電壓，R1～R4 與U1B 構(gòu)成差分運算放大器，具體阻值見圖4，其中R1=R2，R3=R4，根據(jù)運算放大器的特性，輸出電壓與輸入電壓的比值為R4/R1，即輸出電壓為：

圖4 模塊電壓差分運放采樣電路

D1 和D2 正反對接后分別接到運算放大器U1B 的輸入端，防止輸入兩端壓差過大導(dǎo)致U1B 損壞；C1 用來濾除差模干擾，C2 為旁路電容，用來濾除高頻干擾，C3 為在運放電路加入了一個零點，用來防止運放產(chǎn)生自激；R5 和C4 構(gòu)成低通濾波電路，對運放的輸出信號進(jìn)行濾波處理。

差分運算放大器對共模輸入信號具有很強的抑制能力，同時還具有較強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力，但是電路由于元器件自身精度的問題，無法實現(xiàn)完全對稱?？偟膩砜?，該方法測量誤差小，可直觀反映模塊電壓的變化。

3 模組電壓采樣軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計方案

要完成對動力電池模塊電壓的輪詢采樣，軟件需要完成以下的功能：初始狀態(tài)的配置，高低壓隔離光繼電器通道選通邏輯控制，飛渡電容充放電時序的管理，模塊電壓AD 采樣歸一化處理，數(shù)字信號濾波處理等。

對高壓側(cè)光繼電器通道進(jìn)行選通控制時，特別注意不能同時選通奇數(shù)通道或偶數(shù)通道，否則不能正常采樣得到電壓；在長時間工作下，由于模塊電壓長時間接通放電，會造成模塊電池饋電損壞。

在控制高壓側(cè)光繼電器通道切換時，必須留有足夠的切換時間，防止因為切換瞬間導(dǎo)致干擾的接入，同時對采樣的數(shù)字信號需要進(jìn)行5 次滑動平均值濾波處理，以期得到更加準(zhǔn)確的精度。圖5 為模塊電壓程序設(shè)計流程圖。

圖5 模塊電壓程序流程

3.2 軟件控制邏輯時序

圖6 模塊電壓采用控制時序

軟件控制邏輯及時序如圖6 所示。以模塊電池1 采樣為例，需要控制2 個高壓側(cè)光繼電器通斷，Block1 和Block2；低壓側(cè)兩個通道S1 和S2。一個完整的模塊電池電壓采樣時間為16 ms，具體分配為：初始狀態(tài)1 ms，高低壓側(cè)開關(guān)都關(guān)斷；高壓側(cè)開關(guān)閉合1 ms；飛渡電容充電10 ms；高壓側(cè)開關(guān)關(guān)斷1 ms；低壓側(cè)開關(guān)閉合1 ms；采樣2 ms，采樣5 次后，求取平均值，然后再進(jìn)入下一組Block 電壓采樣循環(huán)。

飛渡電容充電時間是根據(jù)充放電時間常數(shù)來確定的，充

電時間τ=RC=1×0.47=0.47 ms，因此10 ms 內(nèi)飛渡電容充電已充分完成，兩端電壓已穩(wěn)定不變。

4 靜態(tài)精度實驗結(jié)果分析

設(shè)計指標(biāo)為模塊電壓采樣精度≤±0.2%FS(FS 表示全量程范圍)。由于是4 個L5 電芯串聯(lián)，模塊電壓最高達(dá)32 V，因此采樣偏差為±64 mV。

4.1 硬件樣板制作及測試

按照以上方案及設(shè)計思路，進(jìn)行硬件原理圖設(shè)計、PCB板制作、元器件選擇及焊接等工作，最后完成樣板測試臺架搭建，用示波器分別監(jiān)控高壓側(cè)光繼電器及飛渡電容兩端波形，如圖7 和圖8 所示，黃色波形為飛渡電容兩端波形，可以看出，電容兩端波形呈周期性交替充電曲線。

圖7 硬件測試臺架搭建

圖8 飛渡電容兩端波形

4.2 測試軟件設(shè)計及靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試軟件流程對樣件進(jìn)行模塊電壓的采樣程序設(shè)計，并通過CAN 分析工具將采集的AD 值進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，生成靜態(tài)數(shù)據(jù)，如表1 所示。

實驗結(jié)果如圖9 所示，在環(huán)境溫度下進(jìn)行靜態(tài)精度測試，所有通道正偏差≤40 mV，負(fù)偏差≤24 mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，所有Block 電壓測量具有較好的一致性，測試硬件電路和軟件邏輯正確可行，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本文針對混合動力汽車用氫鎳電池組模塊電壓檢測電路，進(jìn)行了模塊電壓采樣原理的理論分析、總體方案設(shè)計、硬件電路板制作以及測試樣例程序?qū)崿F(xiàn)，在實驗室環(huán)境下進(jìn)行靜態(tài)精度測試。實驗結(jié)果顯示，所有通道正偏差≤40 mV，負(fù)偏差≤24 mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)±64 mV。本文通過飛渡電容方式實現(xiàn)動力電池組模塊電壓采樣，具有高低壓電氣系統(tǒng)完全隔離、電路結(jié)構(gòu)簡單、采樣精度高和一致性好等特點，具有一定的參考意義和實際應(yīng)用價值。

表1 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

圖9 模塊電壓測試數(shù)據(jù)曲線