开发一种汽车电池管理系统测试的PXI新方案

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1、声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 1 开发一种汽车电池管理系统测试的开发一种汽车电池管理系统测试的 PXI 新方案新方案 随着社会的发展 更多人追求一种 绿色 的生活方式 电能运输设备在汽 车行业中的使用已经明显地增长了 它们拥有非常低的排放或者是零排放 在动 力上做到了省去了油的费用 但是它们的功能不会有所减少 它们的设计是汽车工业方面的一个基本的转变 一个全新的驱动系统 技 术等等 还有新的测试计划和方案 伴随着交通工具中的电能使用量的增长 这 些工具的寿命和使用方面 给工业带来了新的测试和检验的挑战 汽车行业中 经常在许多混合器件和插入式的混合器件里使用锂电

2、池 电池 的设计要求是要有一个非常精细的系统来确保其长时间的使用寿命和安全性 这 就意味着有一个很大的挑战 设计一个高效的电池管理系统 BMS 电池 需要储存高水平的能量以便用来驱动汽车 图图 1电池管理系统电池管理系统 为了协助 BMS 系统的测试 DMC 的工程师和软件工程师与 Pickering 合作 为主要的生产商提供了一种 BMS 的测试方案 这种方案是基于可以用来仿真电 池系统的 PXI 模块的 在这篇文章里 我们将会讨论一下一些必要的测试以及这 些测试存在的理由 我们将会展示怎么样使用 PXI 以及为什么它会是这个复杂 的问题的完美的解决方案 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载

3、请注明出处 否则将追究责任 2 一 建立电池管理系统一 建立电池管理系统 在锂电池的生产的过程中 会有一个固有的变化 这就要求一个更加高性能 的固定性良好的 BMS 系统 BMS 系统必须能够在一个模块里模拟任何电池的表 现的状态 或者是通过一些事件的监控或者是用于平衡的电池状态堆栈在一起 一个电池堆里可以组合好的和坏的电池 也可以适应恶劣的环境状态 在 BMS 系统的开发和质检过程中 这些电池组改变和使用是用模拟技术来实现的 BMS 是可以在产品的生产环境中顺利使用的方案 BMS 系统可以用在混合电机 HEV 电机 EV 和插入式电机 PHEV 系 统中 一个典型的 BMS 控制电池储存系统

4、 ESS 的所有的功能 包括了电池组 的电压和电流控制 可用于电池电压测试 电池平衡 电荷计算包的状态 电池 温度和健康检测 这样就可以确保电池组的安全性和最佳的运作状态 BMS 模块和相关的替代模块必须从电池堆里和相关的温度和电流以及电压 传感器上读取电压参数 从那里开始 BMS 进行处理输入信号 使用逻辑判断来 控制电池包的运作和安全 还有记录输入状态和通过一系列的模拟 数字部件来 控制状态和输出之间的通讯 想要高效地测试一个 BMS 系统的话 应包括了两 个基础的功能 第一个 BMS 系统中准确地模拟传感器和电池堆的输入信号 第 二个 是计算 收集和处理那些经过 BMS 系统对这些输入处

5、理而得到的数字和 模拟信号的输出 图图 2系统设计系统设计 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 3 二 方案设计二 方案设计 分开校准电池组的 BMS 的原因有两个主要的方面 包括安全性和寿命 很多人都知道锂电池可以在笔记本电脑和手机上使用 一个好消息是锂电池 的电量是普通的铅蓄电池的 6 倍 也是普通的镍电池的 3 倍 另外 在适当的设 计下 电池组拥有更大的被回收利用的可能性 但是 当你将更多的能力放在一 个小空间里 这就增加了可用性 但是你就更加需要考虑电池组的安全性 电池的可控能量是以电流和电压的形式释放来提供电能 不可控的部分能量 的释放可能会引起一些毒性

6、物质的排放 像烟幕 火花 爆炸或者其他东西的混 合体 所有的锂电池系统都使用了易燃的电解液 还有一个承受热击穿的可能性 当你把这些东西加热的时候 它将会达到一个临界的温度 在这个时候 它将会 自动发热并燃烧或者是爆炸 失控的能量的释放可能会在恶劣的使用方式 例如像撞击 击穿或者是燃烧 的时候发生 这都是可以在一个机械性的安全系统内和通过正确的物理设计来减 缓的 但是 它们也可能会在电池短路 不正常的释放速度 过快的能量集聚 过度要求 或者不断的充电 这些都会让电池变弱 这些因素可以通过正确的设 计和检验电池安全性和监控系统来避免的 这些方面都有一个名字 就叫做 BMS 电池管理系统 BMS 同

7、样也可以用来跟踪电池的供电的准确状态 这是用来维持它的使用寿 命的 电池的可用寿命在简单的过度充电或是过度放电过程中会减少 根据这个 BMS 就必须包括一个非常精准的放电评测部分 一旦有你不能直接地计算电池的 放电情况 那么放电状态的参数部分必须通过电压 温度 电流和其他的基于生 产商提供的参数来进行计算 BMS 是可以进行这些测试和计算的系统 检测 BMS 系统的放电状态的准确性是可以用来评估电池的表现和寿命的 三 电池组的仿真三 电池组的仿真 锂电池是拥有一个磷酸盐负极和一个碳棒作为阳极 并拥有一个 3 2V 的开 路电压和一个 3 6V 的供电电压 锂镍锰钴氧化物阴极跟碳棒阳极拥有一个

8、3 7V 的名义电压和一个最大 4 2V的放电电压 典型的电池堆是 96个电池串联在一起 这就提供了超过 350V 的电压 高电压允许拥有更细的线性驱动系统来传输能量 这比用低压的系统更加节省能源 但是高电压需要很小心地进行操作 任何对于 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 4 电子系统的损害都是必须要避免的 测试和检验在真实的电池堆上新的 BMS 系 统不是一种可行的方案 因为一个错误的出现可能就会引起了其他部分的损坏 并且也将会让检测员受伤 只有在确保无误的情况下 BMS 才能连接到真实的电 池组上 第二个问题是故障和真实电池组的特点不能被转变来模拟 BMS 设

9、计的 可以控制的状态 故障注入的时候 特别是在开发过程 NPI 可以被检验软件和 硬件成功设计出来的 DMS 给 Pickering 提出了以检验 BMS 的设计的目的而制作一个可以用来模拟 低功率的电池组的要求 这个电池组是被编程好的 每一个电池都有输出电压 这个电池组也可以用来充电和放电 四 设计挑战四 设计挑战 Pickering 已经拥有在手机方面设计单个 PXI 的电池仿真器的经验 所以 跟 随着时间的推移 一个关于可行性的调查已经完成了 为了保持系统的紧凑性和 低费用 最后决定是这样的 我们要将尽可能多的通道都集中在一个简单的模块 内 另外 这个产品的价格在汽车工业领域还是可以接受

10、的 但是 PXI 不是一个设计用于高密度 多个电池仿真器的理想的平台 但也并 不是不可能 那个模块平台不会限制规格的 但是 由于所有的其他的模块都是 可用的 还有 PXI 被广泛地接受 这就表明我们必须要专注于 PXI 的方案 很明显 最终的产品是必须是要可靠的 紧凑的和使用起来要是安全的 一 个 PXI 机箱可以支持 18 个子插槽 所以根据设计的要求的话 每个插槽必须要 模拟电池组的 6 个 OFF 这就要求在插槽中的 16 个模块模拟 96 个电池组 这 个密度就限制了每个电池的大小 在客户的项目的时间内 大部分的功能都是可 以实现的 每个电池需要提供 300mA 的电流 并给每个电池产

11、生了 4 2V 的额外电压 这对于机箱背板来说给每个插槽都提供足够的功率是很大的挑战 还有我们 必须要有足够快的反应速度才能够仿真一个电池 PXI 背板可以在 5V 的电源里给每个模块提供最高达 6A 的电流 这是目前 而言大部分的 PXI 背板都是可以提供的 但是 5V 的直流传输在目前来说是不是 很好的 所以 在设计中不得不考虑重要能量的丢失 这些丢失会给机箱带来热 负载 这个问题的解决方案是从正 5V 的电源给电池供电 但是这个也是需要利 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 5 用到 12V 的电源的 每一个电池仿真器都用了一种集成的隔离 DC 到 DC 的转

12、换器 这个用来提 供一种隔离的电源 然后用一个快速的直线校准器进行调制 这个快速的校准器 要求允许在没有给输出端的增加额外的电压的情况下通过远程进行在一个点上 的仿真 并且不能用到一个输出外部电偶电容器 这个线性的校准器是需要在最大的负载的情况下分散这些功率的 但是明显 的是每一个在模块上的电池都是被限制在一个空间里的 这就限制了对校准器的 散热的作用 这个问题的解决的方案是使用一个专门为汽车方面的使用而设计的 校准器 它可以承受高温 已经在内部建立了保护措施 还有就是使用了 PCB 铜板来进行降温 在 PXI 机箱里的这个高效的降温系统使得这些铜板是非常的通 风的 工作非常的良好 特别是在设

13、备被放在 PXI 模块中的时候 安全性和绝缘性同样也是设计的难题 在一个 96 个电池串联的电池组内 如果每一个电池都有 4 2V 的输出电压的时候 那么可能会引起可以致命的输出 电压 这个兼顾的电池不得不设计成了每个电池共同的电压端都超过了两个断 开 这样依然可以对电池进行控制 这个改进的设计使用的是数字绝缘体来为 PXI 背板提供了控制的接口 还有一个默认配置的安全的双螺纹针系统 这就允 许用户通过这样的方式来连接模块 如果用户断开了 PXI 前面板的线缆或者是模 块或所有的系统中的模块时将会关闭 BMS 系统也要仿真电池的充电的状态 简易的电源是单向的 它们只是源 电流或者是反向电流 而

14、不会同时存在 BMS 系统不得不胜任两种状态 但是反 向电流比源电流的要求更少 这个问题可以通过集成一个可控的电流负载 这个 设计预载电源 当 BMS 充电的时候 电流负载将会确保电源依然还是源电流 所有的难题和解决方案都经过了讨论 最后建议是将新的 6 通道的电池仿真 器放在一起 这就是 Pickering 为 DMC 提供的方案 在交换了设计的限制的看法 之后 问题已经很明确了这就是这一个完整的电池组仿真器的预定方案 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 6 图图 3Pickering 设计的设计的 PXI 模块模块 41 752 五 系统的安装和使用五 系统的安

15、装和使用 Pickering 不断地改进这个设计方案 最后建成了第一个模块 这个模块叫做 41 752 这里的难题不是可以简单地定义为硬件设计 为了测试和使用 41 752 达到目的 软件团队和硬件团队一起工作 并测试模块的软件兼容性还有新的版 本的软件 包括手动软件前面板的设计 有了这个 用户就可以控制任何一个模 块上的电池 在模块表现出很好的性能的时候 其他的模块被生产出来并寄给了 DMC DMC 将这个方案集成到他们的测试系统中 并寄给了最终用户 在成功的测试 和一些非常微小的调整之后 用户接受了这个产品 之后 41 752 也开始在市面 上销售 但是由于利用了 PXI 作为平台 这就引

16、起了一些问题 比如在应用方面的灵 活性还有利用 PXI 设计的速度 所以 现在也做了一些设计改进 背板的供电 PCI 控制总线 机箱的通风系统还有基于 PC 的软件 所有的这些都允许在一个高 速的改进的 在第一个 41 752 系统中 从设计到产出只用了 8 周的时间 这是 在其他的平台上都是无法实现的 41 752 现在是可以购买的了 它提供了 6 通道的仿真 并有高达 7V 的电压 还有电流最高达 300mA 这个高隔离栅 定级在 750V 每一个电池都是串联的 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 7 并且支持用户的 D 类连接器 一个灵活的安全互锁系统允许系统被安全地连接 并使用 Pickering 的 40 923 机箱用来支持高功率模块 这个是能够提供能量和 电池组内 108 个电池需要的电流 图图 4模块中的工作流程图模块中的工作流程图 图图 5模块集成到机箱中模块集成到机箱中 声明 本文由虹科技术工程师撰写 转载请注明出处 否则将追究责任 8 六 其他测试六 其他测试 除了电池仿真器 PXI 模块支持模拟温度传感器 模拟和数字的 I O 接口