機車車載動力電池管理系統硬件冗余保護設計

李路德 徐世達 李軍 韓聳 朱子陽 孟學東

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

關鍵詞：混合動力 機車 電池管理系統 硬件保護

中圖分類號：U267.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：B

1.需求分析

3000馬力混合動力機車的現有電池管理系統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，容易出現單體高溫卻檢測不到的情況。除此之外，當電池系統出現單體過溫過壓的時候，也只能通過主板分析數據得到故障信息并切斷電池系統主回路的接觸器，一旦出現主板CPU失效或者軟件失效的情況，就難以發現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）可以實現純硬件的過溫保護;

3）可以實現純硬件的單體過壓保護;

4）可以將信息通過CAN網絡上傳給主板。

2.硬件設計

2.1整體方案設計

經過分析設計，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兩端電壓并轉化為數字信號，然后將數字信號傳給CPU，CPU通過電壓值計算出NTC的阻值，再由NTC的溫度-阻值對應表來計算出實時的電池單體溫度。

2.3過溫保護電路設計

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，所以不能簡單地只進行比較，還需要加入滯環。

2.4過壓保護電路設計

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，本裝置設定保護上限為3V，電路設計采用下圖2所示保護電路。

2.5耐壓設計

根據《GB/T 21413.1-2008 鐵路應用機車車輛電氣設備第1部分：一般使用條件和通用規則》，3000馬力混合動力機車電池系統電壓等級達到了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，調節溫箱溫度，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，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，當繼電器報警之后，開始降低溫箱溫度，當觀察到繼電器恢復后，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，高溫報警值低于所設上限溫度1℃，恢復溫度和所設恢復溫度一致，皆在可接受范圍內，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，調整三種不同溫度，調整本裝置電壓輸入測電壓，通過上位機來觀察繼電器狀態，當繼電器報警時，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，當單體電壓達到3V左右的時候，繼電器輸出報警信號。皆在可接受范圍內，符合使用要求。

3.4絕緣耐壓測試

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

得出結論，本裝置絕緣耐壓符合要求。

4.結論

從3000馬力混合動力（重混）機車的現有電池管理系統的不足出發，分析不足點，提出解決方案，設計了一種溫度采集和過溫過壓保護裝置，解決了現有電池管理系統的不足之處。經過功能設計，具體電路方案設計，又經過樣品的功能驗證。此裝置通過與電池管理系統配合使用，實現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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