本站原创摘 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.
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.
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、、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、、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.磁珠和电容的选择既要考虑能有效滤除高频干扰,又要考虑到引脚信号的电平变化速度,及需要通过电流的大小.电容的等效阻抗可以表示如式（1）,其中RS为等效串联电阻,L为等效串联电感,C为电容.
．
由式（1）可以看出,要取得较好的滤波效果,需要综合考虑电容的容值大小、封装形式及寄生参数等的影响,针对每个信号引脚,选用不同的磁珠和旁路电容.
2.2印刷电路板的EMC设计
2.2.1元器件布局
BMS印刷电路板的布局和布线,对BMS的电磁兼容性及产品的可靠性等有重要影响.布局和布线是密不可分的,PCB设计中的布局是决定布线好坏的先决条件.布局技术主要考虑以下要点.
（1）PCB尺寸大小和形状.PCB的形状设计为矩形,长宽比3∶2左右,根据元器件布局和布线要求计算合理的PCB尺寸大小.
（2）使用相同电源的元器件集中布置在一起,以便电源分割.根据电路的功能单元,划分为数字、模拟和地区域.对元器件按功能集中布置,各功能模块分开,使相互间的干扰耦合最小,同时与电源配置的地脚也必须匹配.
（3）尽量缩短各元器件之间的引线和连接,特别是高频元器件间的连线.去耦电容尽量靠近芯片的电源脚,晶振离MCU的距离不超过2cm,周围用地线包围,并将晶振外壳接地.BMS外部输入的信号滤波电路布置在信号引脚处.功率驱动电路靠近接线端子,布置在PCB板边上,所有元器件距离PCB的边缘大于3mm.
2.2.2布线设计
BMS采用4层电路板,中间两层分别为电源层和接地层,顶层和底层为信号层. 电源层分为5V数字电路电源、12V和15V模拟电源.按功能将接地层分隔开,为模拟电路、数字电路和大电流功率输出电路设计单独的地.布线时综合考虑了以下几方面.
（1）相邻导线间的串扰.SPI信号和晶振信号与低频信号不混合布线,数字信号与模拟信号分开布线,顶层与底层信号布线转角走圆弧状,避免平行走线,相邻层的布线相互垂直.
（2）减小关键信号线的走线长度和回路面积.使电路中电流环路保持最小,信号线和回线尽可能靠近.使用较大的地平面以减小地线阻抗.
（3）选择合理的导线宽度,并避免布线不连续.对于数字电路,可选0.2～0.3mm导线宽度,电源线和地线应尽量加宽,以减小寄生电感,地线＞电源＞信号线.电源线为1.2～2.5mm.
图5中给出了BMS在进行EMC优化布局前后,PCB元器件的布局和关键信号的流向图.经优化后元器件的布局更为合理,电源布局更为紧凑,并消除了数字电源和模拟电源之间的电源交叉问题.优化后易受干扰的总电流信号走线长度由58.48mm（2302.49mil）减小到15.83mm（623.35mil）,使BMS系统的抗电磁干扰能力大幅增强.
2.2.CB仿真设计
为了更好地优化BMS的电磁兼容性能,应用EMC仿真软件对BMS板极的EMC问题进行了建模仿真,以减少PCB上的各种辐射能量,并降低电源地平面谐振和电路回流路径阻抗.
图6中给出了应用EMC仿真软件对BMS地谐振问题进行优化前后的对比图.通过仿真分析和优化,地谐振幅度减小了10dB以上,有效提升了BMS的电磁兼容性能.
2.3结构及其它EMC设计
BMS外壳采用铝质外壳,PCB的外边四周采用覆铜设计,并良好接地.在整车上采用如图7所示的安装和接地设计,获得了较好的电磁屏蔽效果,提升了BMS的电磁兼容性能.
2.4软件滤波技术
除了采用上述的硬件EMC设计措施外,BMS还采用了一阶滞后滤波等常用软件滤波方法,解决了瞬间脉冲干扰、随即干扰和周期性干扰导致的数据采集异常等问题.
一阶滞后滤波传递函数及滤波平滑系数基于RC一阶低通滤波器的特性进行推导.RC电路的传递函数为
．
将式（2）写成差分方程,经整理得
,
式中：X(k)为第k次采样值；Y(k-1)为第k-1次滤波输出值；Y(k)为第k次滤波输出值；为滤波平滑系数.
对式（3）两端同时取自然对数有
,
式中：T为采样周期.
由、及式（4）得到软件滤波平滑系数为
．
已知截止频率f0,可通过式（5）即确定出滤波平滑系数.
长安公司中度混合电动车所用镍氢H45型BMS系统信号采集周期T等于10ms,截止频率f0等于5Hz,可得平滑系数等于0.0625,时间常数τ等于160ms.其阶跃响应曲线如图8所示,从中可以看到,经滤波后的信号与真实信号间有一定的延时,但完全能满足BMS系统对实时性的要求.
图9中给出了BMS有无软件滤波时,实车采集的总电压信号.
从图9可知,经滤波后的BMS采集的总电压信号更为平稳.说明软件滤波能有效消除BMS采集数据过程中的瞬间脉冲干扰、随机干扰,使信号更平滑,解决了由于受到外部电磁干扰导致的瞬间数据异常问题.
3试验验证
按上述EMC方法设计的BMS,具有较好的电磁干扰发射和抗电磁干扰能力.根据车内电磁干扰对BMS耦合干扰的机理,及对BMS采集电压/电流出现错误实际问题的分析,重点参照《ISO11452-4RoadVehicles-ComponentTestMethodorElectricalDisturbanceromNarrowbandRadiatedElectromagicEnergy》标准,第4部分：BulkCurrentInjection（BCI）的测试方法[8]对BMS的抗电磁干扰能力进行了试验验证,共模电流大小为100mA,试验频率范围为20～400MHz.试验布置照片如图10所示.
表1中给出了在抗大电流注入测试过程中,经EMC优化设计前后,BMS采集的动力电池总电压、总电流和模块电压的最大偏差对比.
经优化后,BMS采集偏差大幅减小,达到设计要求.装有该BMS的4辆混合动力电动汽车分别在江西南昌示范运行了76000km、99576km、701560km和61888km,均未出现动力电池参数采集错误的问题,说明经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.
4结论
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,但BMS系统在电动汽车强电磁干扰环境中工作时易出现采集参数错误的问题,影响电动汽车的安全可靠运行.为此,笔者基于长安公司中度混合电动车平台,研究了车内电磁环境及其对BMS耦合干扰机理,并通过BMS的有效电磁兼容性设计,重点提升了BMS的抗干扰性能,满足了电动汽车复杂电磁环境的使用要求.