帶自喚醒功能的BMS 用高壓車載電源控制器的設(shè)計(jì)

祁 峰

（上海強(qiáng)松航空科技有限公司， 上海 201617）

自從2012年國(guó)務(wù)院出臺(tái)了 《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 （2012—2020年）》 這一政策后， 中國(guó)新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展， 自2015年以來(lái)， 我國(guó)電動(dòng)車生產(chǎn)和保留量一直處于世界第一位置， 2021年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量已達(dá)到320萬(wàn)輛， 占全國(guó)汽車產(chǎn)量的比重已達(dá)15%。 但是隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展， 電動(dòng)車的騙補(bǔ)事件以及自燃等安全事故也層出不窮， 為了杜絕騙補(bǔ)， 實(shí)時(shí)掌握新能源電動(dòng)車的運(yùn)行狀況， 提高電動(dòng)車輛的安全性， 國(guó)家要求制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——GB/T32960—2016 《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》， 要求車載終端采集整車及系統(tǒng)部件的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)并發(fā)送到企業(yè)平臺(tái)， 并與公共平臺(tái) （包括國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)和地方監(jiān)管平臺(tái)） 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 公共平臺(tái)對(duì)企業(yè)平臺(tái)提供的車輛信息進(jìn)行管理， 提供監(jiān)管服務(wù)， 并向車輛管理、 質(zhì)量監(jiān)督等部門提供相關(guān)信息。

按照國(guó)標(biāo)要求， 新能源車中的電池系統(tǒng)需要將其數(shù)據(jù)通過(guò)車載終端定時(shí)上傳至后臺(tái)， 在車輛使用過(guò)程中， 電池管理系統(tǒng) （BMS） 正常工作， 此時(shí)定時(shí)上傳數(shù)據(jù)無(wú)任何困難。 而車輛處于未啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)， 電池管理系統(tǒng) （BMS） 處于休眠狀態(tài)， 此時(shí)如果要上傳電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 就要求該供電電源具備按照BMS設(shè)定的時(shí)間按時(shí)自喚醒的功能，輸出電壓給BMS系統(tǒng)， 使其能上傳數(shù)據(jù)， 因此， 有必要設(shè)計(jì)帶自喚醒功能的BMS用高壓車載電源控制器。

1 電源控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

1） 為兼容純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種新能源大巴， 電源控制器可工作的輸入電壓范圍為： DC200～DC800V。

2） 輸出電壓24V。

3） 輸出功率300W。

4） 輸出效率≥92%。

5） 休眠功耗≤60mW。

6） 具備自喚醒功能， 能根據(jù)關(guān)機(jī)前報(bào)文設(shè)定的時(shí)間，定時(shí)喚醒。

1.2 需求分析

原先市面上類似功能的車載電源控制器， 其輔助電源的來(lái)源為充電槍的A+信號(hào)， 當(dāng)充電槍插入后， A+信號(hào)自動(dòng)給車載電源控制器的輔助電源供電， 使其內(nèi)部工作后， 輸出24V給BMS供電。 新的國(guó)標(biāo)要求自喚醒功能， 因此該車載電源控制器內(nèi)部的輔助電源只能從高壓電池包取電， 并且具備休眠狀態(tài)下自喚醒的功能， 而從高壓電池包取電， 則需要考慮靜態(tài)功耗問(wèn)題， 防止車輛長(zhǎng)期停放時(shí)導(dǎo)致虧電。

車載電源控制器需要定時(shí)喚醒， 因此內(nèi)部需要有RTC時(shí)鐘電路且該電路必須始終工作， 該電路同樣要考慮靜態(tài)功耗問(wèn)題。 定時(shí)喚醒的時(shí)間由BMS設(shè)定， 這就要求該電源與BMS之間必須有通信。 RTC電路位于高壓側(cè)， 而BMS的通信位于低壓側(cè)， 將低壓側(cè)的要求傳遞到高壓側(cè)需要進(jìn)行隔離處理。

由于輸出24V的負(fù)極搭鐵， 而輸入為直流高壓， 從安全考慮， 該車載電源控制器需要輸入、 輸出隔離。 同時(shí)因?yàn)榘惭b位置空間有限， 要求該電源控制器盡可能減小體積，需要較高的效率才能滿足功率密度的要求。 在300W左右的功率范圍內(nèi)， 常用隔離電源如反激電路、 正激電路等隔離方案， 不適合此應(yīng)用場(chǎng)景。 采用LLC諧振電路進(jìn)行隔離降壓輸出是最合適的方案， 在正確的工作參數(shù)下， 可保證MOS管始終處于ZVS狀態(tài)， 且LLC 副邊的整流二極管會(huì)零電流關(guān)斷， 無(wú)反向恢復(fù)問(wèn)題， 可明顯降低MOS管的開關(guān)損耗， 提高整機(jī)的效率， 但是其缺點(diǎn)也很明顯： LLC變換器僅在諧振點(diǎn)附近效率較高， 不適合應(yīng)用于寬輸入電壓范圍，因此需要在LLC前面再加一級(jí)穩(wěn)壓電路。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足設(shè)計(jì)需求， DC/DC電路設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。外部低壓控制信號(hào)的含義如下。

圖1 DC/DC電路設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

Aux1： 接充電槍的A+信號(hào)； Aux2： 與BMS相連； Disable： 接 整 車 的KEY_ON信 號(hào)； CANH/CANL： 與BMS 通 過(guò)CAN進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)方案具體如下。

1） 主 功 率 回 路 采 用Boost+半 橋LLC 兩 級(jí) 電 路， 滿 足200～800V的寬范圍輸入。

2） 高、 低壓側(cè)采用獨(dú)立的控制回路， 兩側(cè)通過(guò)高壓隔離芯片進(jìn)行通信， 低壓側(cè)單片機(jī)負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行CAN通信以及其他硬線信號(hào)的處理。

3） 設(shè)計(jì)高輸入阻抗的輔助電源， 防止電池包虧電， 通過(guò)RTC喚醒輔助電源， 進(jìn)而喚醒整個(gè)電源。

2 電源控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主功率回路設(shè)計(jì)

圖2為功率回路拓?fù)鋱D。 輸入端采用MOS管Q1作為輸入開關(guān)， 第1級(jí)采用Boost電路， 并加旁路二極管D1， 將輸入電壓200～765V升至765V， 當(dāng)輸入電壓超過(guò)765V時(shí)， 旁路二極管工作， Boost電路停止工作。 考慮到輸入電壓最高為1000V， 選擇耐壓為1200V的STW12N120K5作為開關(guān)管， 二極管采用碳化硅二極管C4D05120E-TR。

圖2 功率回路拓?fù)鋱D

2.1.1 Boost電感設(shè)計(jì)過(guò)程

已知Boost電路中最低輸入電壓U=200V， 輸出電壓U=765V， 開 關(guān) 頻 率F=43K， 輸 入 功 率P=320W，Boost電路在額定負(fù)載的0.35時(shí)處于臨界狀態(tài)。

1） 電感最大紋波電流為：

第2級(jí)采用半橋LLC電路， 如圖2所示， Q3、 Q4構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)， 其驅(qū)動(dòng)信號(hào)為50%占空比并帶死區(qū)的互補(bǔ)方波信號(hào)， 通過(guò)半橋， 產(chǎn)生一個(gè)方波電 壓， 電 感L1、 變 壓 器T1 的勵(lì)磁電感L以及電容C2、 C3構(gòu)成了諧振網(wǎng)絡(luò)， 其等效電路如圖3所示。該等效電路中， 有2個(gè)諧振頻率， 分別為：

圖3 LLC電路等效圖

當(dāng)開關(guān)頻率在f和f之間時(shí)， 則能保證MOS管處于ZVS狀態(tài)， 且LLC副邊的整流二極管會(huì)零電流關(guān)斷， 無(wú)反向恢復(fù)問(wèn)題， 可明顯降低MOS管的開關(guān)損耗， 提高電源控制器的效率。

2.1.2 LLC元件參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

利用基波近似 （Fundamental Harmonic Approximation）方法， 忽略掉諧波對(duì)電路的影響分析， LLC元件參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

設(shè)勵(lì)磁電感L和諧振電感L之間的變比m=4， Q=0.4，諧振頻率f=100kHz， V=765V， V=1000V， 輸出電壓V=24V， 輸出功率P=300W， 輸出整流MOS管的壓降V=0.1V。

1） 原副邊匝比N

2.2 低功耗自喚醒電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低功耗， 如圖4所示， 輸入高壓經(jīng)過(guò)一串高阻值電阻給電容C充電， 這串電阻既保證足夠高的輸入阻抗， 同時(shí)電容C中的能量足以維持RTC在DCDC休眠時(shí)的工作， 當(dāng)設(shè)定好的喚醒時(shí)間到來(lái)時(shí)， RTC將MOS管Q1和Q2打開， Q1打開后， 能旁路部分電阻， 使得電容C中的能量足以維持輔源控制IC的啟動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)自喚醒功能。

圖4 低功耗自喚醒電路

2.3 控制回路設(shè)計(jì)

高壓側(cè)和低壓側(cè)控制芯片均采用NXP 公司的車規(guī)級(jí)MCU， 型號(hào)為S9KEAZ64AMLH， 其基于32位的ARMCortex-M0內(nèi)核， 64k閃存， 擁有IC、 SPI以及CAN、 LIN等車載控制器常用的通信接口。

高壓側(cè)MCU主要是采集高壓側(cè)電壓、 電流以及設(shè)定RTC的參數(shù)， 低壓側(cè)MCU檢測(cè)低壓側(cè)電壓、 電流以及與電池管理系統(tǒng) （BMS） 進(jìn)行通信。 低壓側(cè)MCU接收到BMS發(fā)出的更新RTC的報(bào)文后， 將該報(bào)文再發(fā)往高壓側(cè)MCU， 高壓側(cè)MCU更新RTC。

如圖5所示， 兩個(gè)MCU之間的通信采用I2C， 并通過(guò)滿足AECQ-100標(biāo)準(zhǔn)的高壓數(shù)字隔離芯片Si8605AC-B-IS1進(jìn)行隔離， 該芯片隔離電壓。

圖5 高低壓通信信號(hào)隔離電路

低壓側(cè)MCU與BMS之間的通信通過(guò)CAN進(jìn)行， CAN通信接口電路如圖6所示， 接口芯片采用NXP的滿足AECQ-100標(biāo)準(zhǔn)的TJA1051T/3， 針對(duì)端口靜電以及EMC的要求， 增加了濾波和防護(hù)措施， 保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的可靠性。

圖6 CAN通信接口電路

3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè) 計(jì) 完 成 了 輸 入200 ～800V， 輸 出24V 的300W 車 載DCDC電源控制器， 其關(guān)鍵波形如下所示。 圖7為輸入電壓540V， 輸出滿載時(shí)Boost電路中MOS管驅(qū)動(dòng)和DS之間波形。圖8為對(duì)應(yīng)的電感電流波形。 DS之間無(wú)明顯震蕩和尖峰，電感電流鋸齒波也符合設(shè)計(jì)要求。 圖9中黃色為半橋MOS管驅(qū)動(dòng)電壓波形， 藍(lán)色為對(duì)應(yīng)的DS之間電壓波形， 在驅(qū)動(dòng)到來(lái)之前， MOS管的電壓已經(jīng)下降為0， 實(shí)現(xiàn)了ZVS的軟開關(guān)。 圖10為輸入電壓540V， 輸出滿載時(shí)電壓紋波的波形，電壓紋波峰峰值＜100mV。

圖7 Boost電路MOS管驅(qū)動(dòng)和DS之間電壓波形

圖8 Boost電感電流波形

圖9 LLC MOS管驅(qū)動(dòng)和DS之間電壓波形

圖10 輸出電壓紋波

4 總結(jié)

帶自喚醒功能的高壓車載電源控制器的研制滿足了國(guó)標(biāo)對(duì)新能源車輛實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)的要求， 使得對(duì)新能源電動(dòng)大巴的動(dòng)力電池24h的監(jiān)控成為可能， 為交通運(yùn)輸安全提供了監(jiān)管保障。 試驗(yàn)證明， 依照上述參數(shù)設(shè)計(jì)出的電源， 具有良好的特性。 目前該電源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)， 在電動(dòng)大巴行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用， 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。