开发一种汽车电池管理系统测试的PXI新方案

声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。1开发一种汽车电池管理系统测试的PXI新方案随着社会的发展，更多人追求一种“绿色”的生活方式，电能运输设备在汽车行业中的使用已经明显地增长了。它们拥有非常低的排放或者是零排放，在动力上做到了省去了油的费用，但是它们的功能不会有所减少。它们的设计是汽车工业方面的一个基本的转变——一个全新的驱动系统，技术等等，还有新的测试计划和方案。伴随着交通工具中的电能使用量的增长，这些工具的寿命和使用方面，给工业带来了新的测试和检验的挑战。汽车行业中，经常在许多混合器件和插入式的混合器件里使用锂电池。电池的设计要求是要有一个非常精细的系统来确保其长时间的使用寿命和安全性，这就意味着有一个很大的挑战——设计一个高效的电池管理系统（BMS）——电池需要储存高水平的能量以便用来驱动汽车。图1电池管理系统为了协助BMS系统的测试，DMC的工程师和软件工程师与Pickering合作，为主要的生产商提供了一种BMS的测试方案，这种方案是基于可以用来仿真电池系统的PXI模块的。在这篇文章里，我们将会讨论一下一些必要的测试以及这些测试存在的理由。我们将会展示怎么样使用PXI，以及为什么它会是这个复杂的问题的完美的解决方案。声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。2一、建立电池管理系统在锂电池的生产的过程中，会有一个固有的变化，这就要求一个更加高性能的固定性良好的BMS系统。BMS系统必须能够在一个模块里模拟任何电池的表现的状态，或者是通过一些事件的监控或者是用于平衡的电池状态堆栈在一起。一个电池堆里可以组合好的和坏的电池，也可以适应恶劣的环境状态。在BMS系统的开发和质检过程中，这些电池组改变和使用是用模拟技术来实现的。BMS是可以在产品的生产环境中顺利使用的方案。BMS系统可以用在混合电机（HEV）、电机（EV）和插入式电机（PHEV）系统中。一个典型的BMS控制电池储存系统（ESS）的所有的功能，包括了电池组的电压和电流控制，可用于电池电压测试、电池平衡、电荷计算包的状态、电池温度和健康检测，这样就可以确保电池组的安全性和最佳的运作状态。BMS模块和相关的替代模块必须从电池堆里和相关的温度和电流以及电压传感器上读取电压参数。从那里开始，BMS进行处理输入信号，使用逻辑判断来控制电池包的运作和安全，还有记录输入状态和通过一系列的模拟、数字部件来控制状态和输出之间的通讯。想要高效地测试一个BMS系统的话，应包括了两个基础的功能：第一个，BMS系统中准确地模拟传感器和电池堆的输入信号；第二个，是计算、收集和处理那些经过BMS系统对这些输入处理而得到的数字和模拟信号的输出。图2系统设计声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。3二、方案设计分开校准电池组的BMS的原因有两个主要的方面，包括安全性和寿命。很多人都知道锂电池可以在笔记本电脑和手机上使用。一个好消息是锂电池的电量是普通的铅蓄电池的6倍，也是普通的镍电池的3倍，另外，在适当的设计下，电池组拥有更大的被回收利用的可能性。但是，当你将更多的能力放在一个小空间里，这就增加了可用性，但是你就更加需要考虑电池组的安全性。电池的可控能量是以电流和电压的形式释放来提供电能，不可控的部分能量的释放可能会引起一些毒性物质的排放，像烟幕，火花，爆炸或者其他东西的混合体。所有的锂电池系统都使用了易燃的电解液，还有一个承受热击穿的可能性。当你把这些东西加热的时候，它将会达到一个临界的温度，在这个时候，它将会自动发热并燃烧或者是爆炸。失控的能量的释放可能会在恶劣的使用方式，例如像撞击，击穿或者是燃烧的时候发生，这都是可以在一个机械性的安全系统内和通过正确的物理设计来减缓的。但是，它们也可能会在电池短路，不正常的释放速度，过快的能量集聚，过度要求，或者不断的充电，这些都会让电池变弱。这些因素可以通过正确的设计和检验电池安全性和监控系统来避免的，这些方面都有一个名字，就叫做BMS(电池管理系统)。BMS同样也可以用来跟踪电池的供电的准确状态，这是用来维持它的使用寿命的。电池的可用寿命在简单的过度充电或是过度放电过程中会减少。根据这个，BMS就必须包括一个非常精准的放电评测部分。一旦有你不能直接地计算电池的放电情况，那么放电状态的参数部分必须通过电压，温度，电流和其他的基于生产商提供的参数来进行计算。BMS是可以进行这些测试和计算的系统。检测BMS系统的放电状态的准确性是可以用来评估电池的表现和寿命的。三、电池组的仿真锂电池是拥有一个磷酸盐负极和一个碳棒作为阳极，并拥有一个3.2V的开路电压和一个3.6V的供电电压。锂镍锰钴氧化物阴极跟碳棒阳极拥有一个3.7V的名义电压和一个最大4.2V的放电电压。典型的电池堆是96个电池串联在一起，这就提供了超过350V的电压。高电压允许拥有更细的线性驱动系统来传输能量，这比用低压的系统更加节省能源，但是高电压需要很小心地进行操作，任何对于声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。4电子系统的损害都是必须要避免的。测试和检验在真实的电池堆上新的BMS系统不是一种可行的方案，因为一个错误的出现可能就会引起了其他部分的损坏，并且也将会让检测员受伤。只有在确保无误的情况下，BMS才能连接到真实的电池组上。第二个问题是故障和真实电池组的特点不能被转变来模拟BMS设计的可以控制的状态。故障注入的时候，特别是在开发过程，NPI可以被检验软件和硬件成功设计出来的。DMS给Pickering提出了以检验BMS的设计的目的而制作一个可以用来模拟低功率的电池组的要求。这个电池组是被编程好的，每一个电池都有输出电压，这个电池组也可以用来充电和放电。四、设计挑战Pickering已经拥有在手机方面设计单个PXI的电池仿真器的经验。所以，跟随着时间的推移，一个关于可行性的调查已经完成了。为了保持系统的紧凑性和低费用，最后决定是这样的，我们要将尽可能多的通道都集中在一个简单的模块内。另外，这个产品的价格在汽车工业领域还是可以接受的。但是PXI不是一个设计用于高密度，多个电池仿真器的理想的平台，但也并不是不可能，那个模块平台不会限制规格的。但是，由于所有的其他的模块都是可用的，还有PXI被广泛地接受，这就表明我们必须要专注于PXI的方案。很明显，最终的产品是必须是要可靠的，紧凑的和使用起来要是安全的。一个PXI机箱可以支持18个子插槽，所以根据设计的要求的话，每个插槽必须要模拟电池组的6个OFF——这就要求在插槽中的16个模块模拟96个电池组。这个密度就限制了每个电池的大小。在客户的项目的时间内，大部分的功能都是可以实现的。每个电池需要提供300mA的电流，并给每个电池产生了4.2V的额外电压，这对于机箱背板来说给每个插槽都提供足够的功率是很大的挑战——还有我们必须要有足够快的反应速度才能够仿真一个电池。PXI背板可以在5V的电源里给每个模块提供最高达6A的电流——这是目前而言大部分的PXI背板都是可以提供的。但是5V的直流传输在目前来说是不是很好的，所以，在设计中不得不考虑重要能量的丢失，这些丢失会给机箱带来热负载。这个问题的解决方案是从正5V的电源给电池供电，但是这个也是需要利声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。5用到±12V的电源的。每一个电池仿真器都用了一种集成的隔离DC到DC的转换器，这个用来提供一种隔离的电源，然后用一个快速的直线校准器进行调制。这个快速的校准器要求允许在没有给输出端的增加额外的电压的情况下通过远程进行在一个点上的仿真，并且不能用到一个输出外部电偶电容器。这个线性的校准器是需要在最大的负载的情况下分散这些功率的，但是明显的是每一个在模块上的电池都是被限制在一个空间里的，这就限制了对校准器的散热的作用。这个问题的解决的方案是使用一个专门为汽车方面的使用而设计的校准器，它可以承受高温，已经在内部建立了保护措施，还有就是使用了PCB铜板来进行降温。在PXI机箱里的这个高效的降温系统使得这些铜板是非常的通风的——工作非常的良好，特别是在设备被放在PXI模块中的时候。安全性和绝缘性同样也是设计的难题。在一个96个电池串联的电池组内，如果每一个电池都有4.2V的输出电压的时候，那么可能会引起可以致命的输出电压。这个兼顾的电池不得不设计成了每个电池共同的电压端都超过了两个断开，这样依然可以对电池进行控制。这个改进的设计使用的是数字绝缘体来为PXI背板提供了控制的接口，还有一个默认配置的安全的双螺纹针系统，这就允许用户通过这样的方式来连接模块，如果用户断开了PXI前面板的线缆或者是模块或所有的系统中的模块时将会关闭。BMS系统也要仿真电池的充电的状态。简易的电源是单向的——它们只是源电流或者是反向电流，而不会同时存在。BMS系统不得不胜任两种状态，但是反向电流比源电流的要求更少。这个问题可以通过集成一个可控的电流负载，这个设计预载电源，当BMS充电的时候，电流负载将会确保电源依然还是源电流。所有的难题和解决方案都经过了讨论，最后建议是将新的6通道的电池仿真器放在一起，这就是Pickering为DMC提供的方案。在交换了设计的限制的看法之后，问题已经很明确了这就是这一个完整的电池组仿真器的预定方案。声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。6图3Pickering设计的PXI模块41-752五、系统的安装和使用Pickering不断地改进这个设计方案，最后建成了第一个模块，这个模块叫做41-752。这里的难题不是可以简单地定义为硬件设计，为了测试和使用41-752达到目的，软件团队和硬件团队一起工作，并测试模块的软件兼容性还有新的版本的软件，包括手动软件前面板的设计，有了这个，用户就可以控制任何一个模块上的电池。在模块表现出很好的性能的时候，其他的模块被生产出来并寄给了DMC。DMC将这个方案集成到他们的测试系统中，并寄给了最终用户。在成功的测试和一些非常微小的调整之后，用户接受了这个产品，之后41-752也开始在市面上销售。但是由于利用了PXI作为平台，这就引起了一些问题，比如在应用方面的灵活性还有利用PXI设计的速度，所以，现在也做了一些设计改进。背板的供电，PCI控制总线，机箱的通风系统还有基于PC的软件，所有的这些都允许在一个高速的改进的。在第一个41-752系统中，从设计到产出只用了8周的时间，这是在其他的平台上都是无法实现的。41-752现在是可以购买的了，它提供了6通道的仿真，并有高达7V的电压，还有电流最高达300mA。这个高隔离栅，定级在750V，每一个电池都是串联的，声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。7并且支持用户的D类连接器。一个灵活的安全互锁系统允许系统被安全地连接并使用。Pickering的40-923机箱用来支持高功率模块，这个是能够提供能量和电池组内108个电池需要的电流。图4模块中的工作流程图图5模块集成到机箱中声明：本文由虹科技术工程师撰写，转载请注明出处，否则将追究责任。8六、其他测试除了电池仿真器，PXI模块支持模拟温度传感器，模拟和数字的I/O接口，电池组输出端的高压开关，还有通过CAN口与BMS之间的通讯。这个系统是由两个PXI机箱和一些外部的电路组成的。这个完整地系统是一个紧凑的单元，它被嵌入到1.5米的架中，并且符合所有客户的要求。图6电池管理系统（BMS）的使用现场七、总结在接下来的日子里，我们将会在路上看到越来越多的电动交通工具，它们可能是混合动力或者是全电能动力的。为了确保电池的长寿命还有保护系统不被伤害，一个BMS系统将会是一个非常优秀的组件。测试将会符合客户的要求。PXI测试系统可以解决小体积、低费用和灵活性这些问题的。