一种轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统。

背景技术

钛酸锂电池具有安全系数高、宽温性能好和循环寿命长等特点，目前已在轨道交通中得到广泛应用。钛酸锂电池需配备电池管理系统来使用，通过电池管理系统实时监测钛酸锂电池的电压和温度等参数，实现钛酸锂电池生命周期内的免维护。按应用需求，钛酸锂电池一般分为动力电源和辅助电源，目前动力电源的额定电压最高已达到1500V～1800V，预计未来的电压等级更高。设备的额定电压越高，则对其隔离耐压的要求则越高；在《GB/T 21413.1-2008铁路应用机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则》中明确规定：对额定电压大于1200V的设备，需满足2U+2000V(U为设备的额定电压值)的隔离耐压指标。

现有轨道交通用电池管理系统一般采用主从架构，即从板MCU通过板级SPI信号与一颗或多颗前端采集芯片(AFE)连接，获取电池的电压和温度数据；主板和从板通过CAN总线进行信息交互。从板为满足隔离耐压指标，通常在MCU和AFE之间加入一颗集成电源的数字隔离器芯片进行电气隔离，目前市面该器件的耐压值最高仅为5000V，勉强满足1500V～1800V电压设备的隔离耐压要求，若设备电压等级更高，单纯依靠数字隔离器芯片，则无法满足其隔离耐压的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明旨在解决现有轨道交通用电池管理系统主从二级架构无法满足更高电压等级设备的隔离耐压要求，简述解决方案就是：采用主板、从板、采集板三级架构的电池管理系统，以解决上述问题，具体技术方案如下：

一种轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统，包括：主板(又称为：BCU(BatteryControl Unit，电池控制单元))、若干从板(又称为：BMU(Battery Management Unit，电池管理单元))和若干采集板(又称为：BAU(Battery Acquisition Unit，电池采集单元))；

所述主板和若干从板之间采用CAN总线通信连接，每块从板和若干采集板之间采用菊花链(isoSPI)总线通信连接；每块采集板与一个电池模组连接(即一块采集板对应一个电池模组)；

所述主板用于：管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；

所述每块从板用于：管理其对应菊花链总线上的若干采集板(又称为采集板节点)，通过菊花链总线获取采集板的电池参数数据；

所述每块采集板用于：采集其对应电池模组的电池的电压和温度参数，并通过菊花链总线传送给从板；

一块从板对应一条菊花链总线。

在上述技术方案的基础上，所述主板包括：主板MCU(微控制单元)模块、主板DC/DC(直流转直流)电源模块、输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块(又称为：电流检测)、电压采集模块(又称为：电压检测)和主板CAN接口模块；

所述主板DC/DC电源模块、输入检测模块、电流采集模块、电压采集模块、输出控制模块、主板CAN接口模块均与主板MCU模块连接；

所述主板DC/DC电源模块与输入检测模块、电流采集模块、电压采集模块、输出控制模块、主板CAN接口模块、主板MCU模块均连接；

所述主板DC/DC电源模块用于：为输入检测模块、电流采集模块、电压采集模块、输出控制模块、主板CAN接口模块和主板MCU模块供电；

所述输入检测模块用于：通过光耦实现电气隔离和输入信号的电平检测；

所述输入信号包括：数字输入信号(即DI信号)；

所述输出控制模块用于：通过继电器实现电气隔离和输出信号的开关控制；

所述输出信号包括：数字输出信号(即DO信号)；

所述电流采集模块用于：将霍尔传感器返回的小电流信号进行调理至合适范围后，传送至主板MCU模块上设有的AD(模数)通道管脚；

所述电流信号包括：母线电流；

所述电压采集模块用于：检测母线电压，并将电压值传送至主板MCU模块，具体是：通过霍尔传感器采集得到小电流信号，再经调理电路转成电压信号，最后传送至主板MCU模块上设有的AD通道管脚；

所述主板CAN接口模块用于：实现电气隔离，实现CAN总线通信。

在上述技术方案的基础上，所述从板包括：从板MCU模块、从板DC/DC电源模块、从板CAN接口模块和菊花链接口模块；

所述从板DC/DC电源模块、从板CAN接口模块、菊花链接口模块均与从板MCU模块连接；

所述从板DC/DC电源模块与从板CAN接口模块、菊花链接口模块均、从板MCU模块均连接；

所述从板DC/DC电源模块用于：为从板CAN接口模块、菊花链接口模块和从板MCU模块供电；

所述从板CAN接口模块用于：实现电气隔离；

所述菊花链接口模块用于：实现菊花链总线通信。

在上述技术方案的基础上，所述主板DC/DC电源模块包括：110V转±15V隔离型DC-DC电源模块和主板110V转5V隔离型DC-DC电源模块；

所述110V转±15V隔离型DC-DC电源模块用于：给电压采集模块和电流采集模块供电；

所述主板110V转5V隔离型DC-DC电源模块用于：给输入检测模块、输出控制模块、主板CAN接口模块和主板MCU模块供电。

所述从板DC/DC电源模块为：110V转5V隔离型DC-DC电源模块。

在上述技术方案的基础上，所述主板CAN接口模块包括：主板数字隔离器和主板CAN收发器；

所述主板数字隔离器与主板CAN收发器、主板MCU模块、主板DC/DC电源模块均连接；所述主板CAN收发器通过CAN总线与若干从板进行通信连接；

所述主板数字隔离器用于：实现电气隔离；

所述从板CAN接口模块包括：从板数字隔离器一和从板CAN收发器；

所述从板数字隔离器一与从板CAN收发器、从板MCU模块、从板DC/DC电源模块均连接；所述从板CAN收发器通过CAN总线与主板进行通信连接；

所述从板数字隔离器一用于：实现电气隔离。

在上述技术方案的基础上，所述菊花链接口模块包括：从板数字隔离器二、从板菊花链收发器(又称为：isoSPI收发器)和从板信号变压器；

所述从板数字隔离器二与从板MCU模块、从板菊花链收发器均连接；所述从板菊花链收发器与从板信号变压器连接；

所述从板数字隔离器二用于：数字隔离，并将信号发送给菊花链收发器；

所述从板菊花链收发器用于：将从板数字隔离器二发送的信号转成差分信号，并发送给从板信号变压器；

所述从板信号变压器用于：模拟隔离，并通过菊花链总线与若干采集板连接。

在上述技术方案的基础上，在所述从板数字隔离器二的内部集成电源转换器；

所述电源转换器用于：将从板DC/DC电源模块的供电转换成从板菊花链收发器的供电。

在上述技术方案的基础上，所述采集板包括：前端采集芯片、采集板DC/DC电源模块和采集板菊花链接口模块；

所述采集板菊花链接口模块包括：采集板信号变压器；

所述前端采集芯片与采集板信号变压器、采集板DC/DC电源模块、电池模组均连接；所述采集板DC/DC电源模块与电池模组连接；所述采集板信号变压器通过菊花链总线与从板连接；

所述前端采集芯片用于：电池模组中电池的电压和温度参数的采集；

所述采集板信号变压器用于：进行电气隔离，并通过菊花链总线与从板连接；

所述采集板DC/DC电源模块用于：从电池模组中取电，并转换电压后，为前端采集芯片供电。

在上述技术方案的基础上，采集板从电池模组中取电，为减少电量消耗，只有当菊花链总线有通信任务时，前端采集芯片控制采集板DC/DC电源模块上设有的电使能EN管脚为高电平，采集板DC/DC电源模块才正常工作给采集板供电。

在上述技术方案的基础上，在所述前端采集芯片设置并联匹配电阻R1，在所述从板菊花链收发器设置并联匹配电阻R2。

在上述技术方案的基础上，所述主板MCU模块和从板MCU模块均选用NXP公司的MPC5744单片机；

所述前端采集芯片可选用支持菊花链通信的Linear公司的LTC6804-1；

所述采集板DC/DC电源模块可选用Linear公司的LT3990，转换效率大于85％。

在上述技术方案的基础上，所述主板数字隔离器和从板数字隔离器一均可选用TI公司的ISOW7821；

所述从板菊花链收发器可选用Linear公司的LTC6820；所述从板信号变压器和采集板信号变压器均可选用PULSE公司的HM2102NL；

所述从板数字隔离器二可选用TI公司的ISOW7841。

在上述技术方案的基础上，所述光耦可选用Everlight公司的EL817；所述继电器可选用OMRON公司的G6DN，继电器的额定电流为5A；

所述并联匹配电阻R1和R2可选取120Ω的阻值。

在上述技术方案的基础上，所述每个电池模组包括：12串电池。

本发明的有益技术效果如下：

1)采用三级架构的电池管理系统，能简化从板和采集板的电路设计，显著降低硬件成本；

2)高压侧和低压侧之间采用数字隔离+模拟隔离相结合的电气隔离方式，极大提高系统的隔离耐压能力。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本申请所述轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统的三级架构示意框图；

图2为本申请所述主板的电路原理示意框图；

图3为本申请所述从板的电路原理示意框图；

图4为本申请所述采集板的电路原理示意框图；

图5为申请所述轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统的电气隔离电路原理示意框图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行进一步描述。

一种轨道交通用高隔离耐压的电池管理系统，包括：主板(BCU)、从板(BMU)和采集板(BAU)；所述电池管理系统采用三级架构。主板和从板之间采用CAN总线通信，从板和采集板之间采用菊花链(isoSPI)总线通信，其架构示意框图如图1所示。

三级架构中各单元功能如下：

主板负责管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；一块从板对应一条菊花链总线，每块从板负责管理其对应菊花链总线上的若干采集板节点(简称节点)。从板对下通过菊花链总线获取节点的电池参数数据，对上通过CAN总线与主板通信；一块采集板对应一个电池模组，即每块采集板负责采集其对应电池模组的12串电池(即图1中的12Cell)的电压、温度参数。

三级架构中各单元电路如下：

主板主要由主板MCU(简称为：MCU)、主板DC/DC电源模块、输入检测模块(简称：输入检测)、输出控制模块(简称：输出控制)、电流采集模块(又称为：电流检测)、电压采集模块(又称为：电压检测)和CAN接口模块等模块电路组成，其电路原理示意框图如图2所示。

主板MCU模块选用NXP公司的MPC5744单片机；主板DC/DC电源模块包括：110V转±15V隔离型DC-DC电源模块和110V转5V隔离型DC-DC电源模块。110V转±15V隔离型DC-DC电源模块负责给霍尔电压/电流传感器(即霍尔传感器)、电压采集模块、电流采集模块供电，110V转5V隔离型DC-DC电源模块负责给输入检测模块、输出控制模块、主板CAN接口模块和主板MCU模块供电；输入检测模块通过光耦实现电气隔离和输入信号的电平检测，光耦可选用Everlight公司的EL817；输出控制模块通过继电器实现电气隔离和输出信号的开关控制，继电器可选用OMRON公司的G6DN，额定电流为5A；电流采集模块将霍尔传感器返回的小电流信号调理至合适范围后送至主板MCU模块的AD通道管脚；CAN接口模块通过主板数字隔离器实现电气隔离，主板数字隔离器可选用TI公司的ISOW7821。

从板主要由从板MCU模块、从板DC/DC电源模块、从板CAN接口模块和isoSPI接口模块等模块电路组成，其电路原理示意框图如图3所示。

从板MCU模块选用NXP公司的MPC5744单片机；从板DC/DC电源模块由110V转5V隔离型DC-DC电源模块组成，负责给从板CAN接口模块、菊花链接口模块和从板MCU模块供电；从板CAN接口模块通过从板数字隔离器一实现电气隔离，从板数字隔离器一可选用TI公司的ISOW7821；isoSPI接口模块先通过从板数字隔离器二进行数字隔离，再通过从板isoSPI收发器转成差分信号，最后通过从板信号变压器进行模拟隔离，从板数字隔离器二可选用TI公司的ISOW7841，从板isoSPI收发器可选用Linear公司的LTC6820，从板信号变压器可选用PULSE公司的HM2102NL。

采集板主要由前端采集芯片(AFE)、采集板DC/DC电源模块、isoSPI接口模块等模块电路组成，其电路原理示意框图如图4所示。

AFE负责电池的电压、温度参数采集，AFE可选用Linear公司的LTC6804-1，支持菊花链通信，外接采集板信号变压器进行电气隔离即可得到isoSPI接口，采集板信号变压器可选用PULSE公司的HM2102NL；采集板从电池模组取电，为减少电量消耗，只有在菊花链总线有通信任务时，AFE控制采集板DC/DC电源模块的上电使能EN管脚为高电平，采集板DC/DC电源模块才正常工作给采集板供电，采集板DC/DC电源模块可选用Linear公司的LT3990，转换效率大于85％。

本发明的三级架构电池管理系统能极大提高系统的隔离耐压能力，可满足更高电压等级设备的隔离耐压要求，具体原理如下：

从板的isoSPI接口(即菊花链接口模块)采用二次电气隔离(数字隔离+模拟隔离)，采集板的isoSPI接口采用一次电气隔离(模拟隔离)，其电路原理示意框图如图5所示。

从板的MCU模块X6输出SPI(串行外设接口)信号，经数字隔离器X5(即从板数字隔离器二)进行数字隔离，连到isoSPI收发器X4(即从板菊花链收发器)后得到差分信号，差分信号经信号变压器X3(即从板信号变压器)进行模拟隔离，得到isoSPI总线信号。采集板的信号变压器X2(即采集板信号变压器)对isoSPI总线信号进行模拟隔离后，接到AFE芯片X1。设置R1和R2为isoSPI总线的匹配电阻，可选取120Ω。VCC(即从板DC/DC电源模块)为从板MCU模块X6和数字隔离器X5供电，数字隔离器X5内部集成电源转换器，将VCC转换成隔离电压Viso后为isoSPI收发器X4供电。

采用三级架构的电池管理系统，从采集板高压侧到从板低压侧的电气隔离链路上，一共经过2个信号变压器和1个数字隔离器，系统的隔离耐压值约等于三者耐压值之和。由于信号变压器HM2102NL和数字隔离器ISOW7841的隔离耐压值分别为3100Vrms和5000Vrms，则系统的隔离耐压值为3100×2+5000＝11200Vrms。由隔离耐压指标公式，得到11200＝2U+2000，即U＝4600V。由此可见，采用三级架构的电池管理系统，可满足4600V左右额定电压等级设备的隔离耐压要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。