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摘要：电池管理系统（BMS）是电动汽车能量管理的重要部分,它提供整车控制策略的重要参数,由于电池管理系统工作于电动汽车恶劣的电磁环境之中,所以提高BMS的抗电磁干扰性能对于保证整车的安全可靠运行至关重要.基于长安中度混合电动车平台,分析了车内电磁环境及其对BMS的耦合干扰机理,并研究了BMS的有效电磁兼容性设计技术,重点提升了BMS的抗干扰性能.试验结果表明,经优化设计后的BMS能良好地适应电动车复杂的电磁环境.

该文来源:http://www.sxsky.net/zhengzhi/050440160.html

关键词：电动汽车；电池管理系统；电磁兼容；电磁干扰

中图分类号：TM33文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.04

电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）对动力电池的电压、电流和温度进行检测,估算荷电状态（StateofCharge,SOC）,并对动力电池提供有效保护,是电动汽车重要的电控单元,但是BMS所处的电动汽车整车电磁环境异常复杂.由驱动电机、电机控制器（通常包括PWM型DC/AC逆变和AC/DC整流电路）和DC/DC直流变换器等组成的整车动力系统工作电压/电流高、功率大、开关频率高,形成较强的电磁干扰[1-2],它不仅制约着电动汽车整车电磁兼容的法规通过率,还会影响车内BMS等敏感电器系统的正常工作,对整车的安全可靠运行造成威胁.因此,对电动汽车整车及专用器件的电磁兼容性技术进行研究[3-6],具有重要的理论意义和工程价值.

结合长安公司中度混合电动汽车平台中某型电动车在调试过程中,出现的BMS受电磁干扰,导致采集的动力电池电压/电流出现错误的实际问题,笔者研究了电动汽车内部主要电磁骚扰源及对BMS耦合干扰的机理,并通过BMS的有效电磁兼容性设计,重点提升了BMS的抗电磁干扰性能.台架试验和整车验证结果表明,经EMC优化设计后的BMS能满足电动汽车复杂电磁环境的使用要求.

1车内电磁环境及对BMS耦合机理

1.1车内电磁环境分析

长安公司某型中度混合电动汽车动力系统布置如图1所示.整车动力系统由额定电压为144V的镍氢动力电池及BMS、电机控制器（IPU）、直流变换器（DC/DC）及额定功率为13kW的ISG电机与1.6L汽油发动机并联组成.

1.1.1低压电器系统的干扰

首先,电动汽车中12V低压电器系统中的各种开关、继电器和直流电机等电感性部件在通断过程中会在电路中形成很高的瞬变电压,持续时间约为1ms,最大幅值可超过-100V.瞬变电压的主要耦合方式为传导耦合,通过共用的电源耦合进车内其它电子系统中.再则,车身控制器、空调控制器和DVD等部件的主芯片、时钟电路、触发电路、数据线和信号线等部分在工作过程中,会形成频段覆盖150kHz～2.5GHz的电磁干扰.最后,有刷直流电机、机械式电喇叭和点火系统等工作过程中产生的电火花,能形成频谱很宽的辐射噪声.

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1.1.2高压动力系统的干扰

动力系统工作过程中,电机控制器IPU、直流变换器的开关器件IGBT和功率二级管工作在高速开关状态,形成很高的du/dt和di/dt,导致较强的电磁干扰,并以传导和辐射的形式影响BMS的正常工作.

1.2对BMS耦合干扰机理

BMS及其硬件电路结构如图2所示.电路主要由电源模块、传感器模块、保护模块、MCU模块和通讯模块等部分组成.

由于BMS采用金属铝质外壳,车内电磁干扰对BMS的耦合有两种主要途径：车内的低频瞬态和各种干扰直接通过BMS的电源线以共模或差模干扰的形式耦合进BMS,而车内的各种辐射干扰场把能量耦合在BMS的连接线束上,形成共模干扰电流耦合进BMS.

2BMS的抗电磁干扰技术

针对上述BMS外部的电磁干扰源和耦合机理可在BMS的电路原理设计、印刷电路板设计和结构设计等方面采取针对性的EMC设计方法[7].重点对电源电路、敏感小信号采集电路、接口电路、PCB元器件布局和布线,并结合PCB的EMC仿真分析和软件滤波技术,使BMS具有较好的抗电磁干扰性能.

2.1BMS电路原理的EMC设计

2.1.1供电电源电路

由于BMS的电源线与12V蓄电池和DC/DC低压输出端、电机控制器低压电源端并联,并与车用其它电器设备共用电源系统,DC/DC和其它用电设备产生的各种低频瞬态和高频干扰、共模干扰可通过电源耦合进BMS.为此设计如图3（a）所示电源输入电路,采用编号为V1的TVS抑制电源输入中的瞬态干扰并提供ESD防护能力,采用编号为L1和L2的大电流磁珠抑制电源输入中的高频干扰,同时也抑制BMS内部向外发射高频干扰.通过编号为L3、C1、C8、C2和C7构成的共模滤波器滤除电源输入中的共模噪声和谐波干扰.通过L1、C6、C4、C5和C3组成的LC滤波电路滤除电源输入中的差模干扰.

BMS板内的另外一个重要电源是+5V的主工作电源,如图3（b）所示.该电源工作的稳定性及抗干扰性能直接影响到系统的信号采集准确度及稳定性.该电源抗干扰的重要措施是由L1、C4、C5组成的LCπ型差模滤波电路,滤除电源线上的差模干扰,同时对板内可能传导到外部的差模干扰亦能起到有效的抑制作用.

模拟电源电路主要为BMS的模拟采集运放电路提供稳定的双电源,如图3（c）所示.

由TS1和IC1构成具有正负输出电压的单端反激型开关稳压电路.对该电路工作频率的选取较为关键,工作基频需要避开传导及辐射抗扰度等测试较敏感的频率段.

2.1.2关键敏感信号采集电路

BMS内部的关键信号是动力电池的工作电流信号,该信号的采集用于动力电池的安时容量积分算法,计算动力电池的SOC.该信号是mV级的弱信号,由精密锰铜合金电阻Shunt作为传感器,因信号幅度小,极易受到干扰,造成采集电流不准的问题.为此,在BMS的输入端口处采用共模抑制电感和电容对采集的信号进行了共模滤波处理,如图4所示.2.1.3接插口电路

BMS的每个引脚采用串联磁珠和并联去耦电容的标准设计,以滤除外部高频干扰的传导耦合.磁珠和电容&