帶自喚醒功能的BMS 用高壓車載電源控制器的設計

祁 峰

（上海強松航空科技有限公司， 上海 201617）

自從2012年國務院出臺了 《節能與新能源汽車產業發展規劃 （2012—2020年）》 這一政策后， 中國新能源汽車行業快速發展， 自2015年以來， 我國電動車生產和保留量一直處于世界第一位置， 2021年我國新能源汽車產量已達到320萬輛， 占全國汽車產量的比重已達15%。 但是隨著電動車市場的蓬勃發展， 電動車的騙補事件以及自燃等安全事故也層出不窮， 為了杜絕騙補， 實時掌握新能源電動車的運行狀況， 提高電動車輛的安全性， 國家要求制定了相關標準——GB/T32960—2016 《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》， 要求車載終端采集整車及系統部件的關鍵狀態參數并發送到企業平臺， 并與公共平臺 （包括國家監管平臺和地方監管平臺） 進行數據交換。 公共平臺對企業平臺提供的車輛信息進行管理， 提供監管服務， 并向車輛管理、 質量監督等部門提供相關信息。

按照國標要求， 新能源車中的電池系統需要將其數據通過車載終端定時上傳至后臺， 在車輛使用過程中， 電池管理系統 （BMS） 正常工作， 此時定時上傳數據無任何困難。 而車輛處于未啟動狀態時， 電池管理系統 （BMS） 處于休眠狀態， 此時如果要上傳電池系統的實時數據， 就要求該供電電源具備按照BMS設定的時間按時自喚醒的功能，輸出電壓給BMS系統， 使其能上傳數據， 因此， 有必要設計帶自喚醒功能的BMS用高壓車載電源控制器。

1 電源控制器系統設計

1.1 設計要求

1） 為兼容純電動和混合動力兩種新能源大巴， 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， 能根據關機前報文設定的時間，定時喚醒。

1.2 需求分析

原先市面上類似功能的車載電源控制器， 其輔助電源的來源為充電槍的A+信號， 當充電槍插入后， A+信號自動給車載電源控制器的輔助電源供電， 使其內部工作后， 輸出24V給BMS供電。 新的國標要求自喚醒功能， 因此該車載電源控制器內部的輔助電源只能從高壓電池包取電， 并且具備休眠狀態下自喚醒的功能， 而從高壓電池包取電， 則需要考慮靜態功耗問題， 防止車輛長期停放時導致虧電。

車載電源控制器需要定時喚醒， 因此內部需要有RTC時鐘電路且該電路必須始終工作， 該電路同樣要考慮靜態功耗問題。 定時喚醒的時間由BMS設定， 這就要求該電源與BMS之間必須有通信。 RTC電路位于高壓側， 而BMS的通信位于低壓側， 將低壓側的要求傳遞到高壓側需要進行隔離處理。

由于輸出24V的負極搭鐵， 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。 同時因為安裝位置空間有限， 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， 常用隔離電源如反激電路、 正激電路等隔離方案， 不適合此應用場景。 采用LLC諧振電路進行隔離降壓輸出是最合適的方案， 在正確的工作參數下， 可保證MOS管始終處于ZVS狀態， 且LLC 副邊的整流二極管會零電流關斷， 無反向恢復問題， 可明顯降低MOS管的開關損耗， 提高整機的效率， 但是其缺點也很明顯： LLC變換器僅在諧振點附近效率較高， 不適合應用于寬輸入電壓范圍，因此需要在LLC前面再加一級穩壓電路。

1.3 系統架構

為滿足設計需求， DC/DC電路設計架構如圖1所示。外部低壓控制信號的含義如下。

圖1 DC/DC電路設計架構圖

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

設計方案具體如下。

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

2） 高、 低壓側采用獨立的控制回路， 兩側通過高壓隔離芯片進行通信， 低壓側單片機負責與外部進行CAN通信以及其他硬線信號的處理。

3） 設計高輸入阻抗的輔助電源， 防止電池包虧電， 通過RTC喚醒輔助電源， 進而喚醒整個電源。

2 電源控制器硬件設計

2.1 主功率回路設計

圖2為功率回路拓撲圖。 輸入端采用MOS管Q1作為輸入開關， 第1級采用Boost電路， 并加旁路二極管D1， 將輸入電壓200～765V升至765V， 當輸入電壓超過765V時， 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作為開關管， 二極管采用碳化硅二極管C4D05120E-TR。

圖2 功率回路拓撲圖

2.1.1 Boost電感設計過程

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

1） 電感最大紋波電流為：

第2級采用半橋LLC電路， 如圖2所示， Q3、 Q4構成半橋結構， 其驅動信號為50%占空比并帶死區的互補方波信號， 通過半橋， 產生一個方波電 壓， 電 感L1、 變 壓 器T1 的勵磁電感L以及電容C2、 C3構成了諧振網絡， 其等效電路如圖3所示。該等效電路中， 有2個諧振頻率， 分別為：

圖3 LLC電路等效圖

當開關頻率在f和f之間時， 則能保證MOS管處于ZVS狀態， 且LLC副邊的整流二極管會零電流關斷， 無反向恢復問題， 可明顯降低MOS管的開關損耗， 提高電源控制器的效率。

2.1.2 LLC元件參數設計過程

利用基波近似 （Fundamental Harmonic Approximation）方法， 忽略掉諧波對電路的影響分析， LLC元件參數設計過程如下。

設勵磁電感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計

為實現低功耗， 如圖4所示， 輸入高壓經過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， 同時電容C中的能量足以維持RTC在DCDC休眠時的工作， 當設定好的喚醒時間到來時， 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， 實現自喚醒功能。

圖4 低功耗自喚醒電路

2.3 控制回路設計

高壓側和低壓側控制芯片均采用NXP 公司的車規級MCU， 型號為S9KEAZ64AMLH， 其基于32位的ARMCortex-M0內核， 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MCU主要是采集高壓側電壓、 電流以及設定RTC的參數， 低壓側MCU檢測低壓側電壓、 電流以及與電池管理系統 （BMS） 進行通信。 低壓側MCU接收到BMS發出的更新RTC的報文后， 將該報文再發往高壓側MCU， 高壓側MCU更新RTC。

如圖5所示， 兩個MCU之間的通信采用I2C， 并通過滿足AECQ-100標準的高壓數字隔離芯片Si8605AC-B-IS1進行隔離， 該芯片隔離電壓。

圖5 高低壓通信信號隔離電路

低壓側MCU與BMS之間的通信通過CAN進行， CAN通信接口電路如圖6所示， 接口芯片采用NXP的滿足AECQ-100標準的TJA1051T/3， 針對端口靜電以及EMC的要求， 增加了濾波和防護措施， 保證數據傳輸過程中的可靠性。

圖6 CAN通信接口電路

3 試驗結果

設 計 完 成 了 輸 入200 ～800V， 輸 出24V 的300W 車 載DCDC電源控制器， 其關鍵波形如下所示。 圖7為輸入電壓540V， 輸出滿載時Boost電路中MOS管驅動和DS之間波形。圖8為對應的電感電流波形。 DS之間無明顯震蕩和尖峰，電感電流鋸齒波也符合設計要求。 圖9中黃色為半橋MOS管驅動電壓波形， 藍色為對應的DS之間電壓波形， 在驅動到來之前， MOS管的電壓已經下降為0， 實現了ZVS的軟開關。 圖10為輸入電壓540V， 輸出滿載時電壓紋波的波形，電壓紋波峰峰值＜100mV。

圖7 Boost電路MOS管驅動和DS之間電壓波形

圖8 Boost電感電流波形

圖9 LLC MOS管驅動和DS之間電壓波形

圖10 輸出電壓紋波

4 總結

帶自喚醒功能的高壓車載電源控制器的研制滿足了國標對新能源車輛實時上傳數據的要求， 使得對新能源電動大巴的動力電池24h的監控成為可能， 為交通運輸安全提供了監管保障。 試驗證明， 依照上述參數設計出的電源， 具有良好的特性。 目前該電源已經實現量產， 在電動大巴行業得到了廣泛的應用， 取得了較好的經濟效益。