原创丨电池采样线设计的一些计算和考虑

  2017-07-24 08:10:27   207

我们先谈一下采样线设计的重要性,采样线设计需要考虑鲁棒性和整个生命周期的失效率,这是为什么呢?其实是我们设置BMS对于单体电压的检测的功能安全等级。电压采样直接决定了电池状态的判定,使得本身电压采集的这个功能,就是整个安全保障体系的最重要环节之一。

  

  图1 从单体的失效来分解

目前一般对采样单体电压&电池温度,都是通过电池电压采集的ASIC实现的。如果把采样环节的电路模型建立起来,ASIC芯片在电压采集的过程如下图2所示。本文先从两个方向来考虑问题:

· 第一是采样线阻抗对采集精度的影响分析

· 第二是短路过程中,熔丝的熔断的情况分析两部分

图2 电池采集的情况

1)基础考虑

采样线径需要考虑以下一些工作电流,在以下的工作电流下,我们来考虑以下基础的参数:

· 静态电流(Ipara):这个电流值是整个采集环路里面寄生的电流和ASIC内部

· 工作电流(Iwork):这个根据选用的ASIC的采集时候的工作电流来应用

· 均衡电流(Iblance):设计的均衡电流,一般的限制是在均衡电阻,其实对于整个采集设计来说也是挺重要的

· 熔断电流(Ifuse):无论是采用FPC本身的线路设计的熔丝,还是采购的贴片熔丝,设计的熔断电流和设计均需要仔细考虑

· 软&硬短路电流(Ishort):是指真正线路里面出现硬短路的情况下,对应的阻抗电流

原则上,这些电流要尽量分开,通过较大分隔可以使得整个设计更加响应有效。

图3 采样线熔丝熔断考虑

2)采样设计长度的考虑

由于CMU和BMU的布置和分解有集中式和分布式两种,而且模块的大小也有一些差异性,这就使得整个线路布置的长度,我们可以根据不同的布置模式来勾勒出整个线缆的长度和线径,通过这个来计算整个线路阻抗,特别是需要比较,不同的集中式BMU布置位置对整个线路阻抗的差异。

图4 整个采样线路布置等效图

3)母线排的感性影响

这是之前北汽的工程师和我一起交流的问题,其实客观存在,采样线设计和母线排设计两者是需要同步考虑的。由于CMU的设计原因,一般是需要考虑更多的CMU来覆盖不同的设计,使得某些设计存在于两个组。对于叠层母排的使用,其实实在逆变器功率电子先用,是需要考虑大的放电电流和制动回收情况下,这个电流在较长的母排下面引发的电压尖峰。如果设计不当,跨母排去采样电压,这个电压会引起器件的采样问题。

图5 铜排分布电感提取考虑

备注:这是逆变器的铜排提取考虑,在电池连接里面也需要用类似的办法提取整个铜排的等效电感,建立总电压的模型,否则总电压、模组采集电压和单体电压在某些时间校核的时候就会出现误差,特别是在高速段,能量回收,做了DTC容易出问题的。

4)熔丝设计电流

现在的办法也确实有两条路,从设计不同Mil的线径,设计一定的长度来使其温度上升熔断;或者是采用现有的表面贴装的熔丝,其最终的设计考虑就是在响应整个短路的电流反应时间;还有正常条件下的阻抗,特别是在均衡电流经过时候,考虑整个阻抗带来的压降对采集的误差。

图6 采样熔丝响应曲线

附录:现在计算能力也比较退化,我们需要根据IPC-2221了解PCB板子和FPC的差异,然后根据其基材、材质还有设计条件来设计走线宽度,特别是平常宽度。通过一个计算器,分别输入各个不同的电流,代入阻抗和各种环境条件来考虑。最后用验证的办法来设计结果。

部件级别的测试方法,其实是汽车电子零部件开发工程师的核心技能,我们不应该简单的交给Validation的工程师,而是写好方法调用资源来设计实验来让设计变得更完整。

参考文件:

1)2017-01-1202 Functional Safety for Battery Monitoring Integrated Circuits

动力电池系统开发管理

  


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