机车车载动力电池管理系统硬件冗余保护设计

李路德 徐世达 李军 韩耸 朱子阳 孟学东

摘要：以3000马力混合动力（重混）机车动力电池系统为载体，基于电池管理系统的硬件保护功能为研究对象，从功能需求、电路方案设计出发，开发了一款电池模组单体温度采集及硬件保护装置，配合电池管理系统使用，增加了动力电池系统的安全性能，为更加安全的应用动力电池提供了保障。

关键词：混合动力 机车 电池管理系统 硬件保护

中图分类号：U267.1                文献标识码：B

1.需求分析

3000马力混合动力机车的现有电池管理系统实时检测了每一块单体电池的电压，却没有实时检测每一块单体电池的温度，检测点较少，容易出现单体高温却检测不到的情况。除此之外，当电池系统出现单体过温过压的时候，也只能通过主板分析数据得到故障信息并切断电池系统主回路的接触器，一旦出现主板CPU失效或者软件失效的情况，就难以发现故障并切断主回路接触器，有一定的安全隐患。

为此，就需要开发一款可以解决以上问题的装置，此装置需要的主要功能为：

1）实时采集每一块单体电池的温度信息;

2）可以实现纯硬件的过温保护;

3）可以实现纯硬件的单体过压保护;

4）可以将信息通过CAN网络上传给主板。

2.硬件设计

2.1整体方案设计

经过分析设计，本装置主要包括CPU、温度采集电路、过温保护电路、过压保护电路、继电器信号输出电路和CAN总线信号电路。

2.2温度采集电路设计

本装置的温度采集电路如图1所示。此电路的主要工作原理为：R1和温度传感器串联接入4.096V的参考电压之中，AD芯片实时采集NTC两端电压并转化为数字信号，然后将数字信号传给CPU，CPU通过电压值计算出NTC的阻值，再由NTC的温度-阻值对应表来计算出实时的电池单体温度。

2.3过温保护电路设计

3000马力混合动力机车要求电池温度达到70℃则进行保护，低于55℃恢复，所以不能简单地只进行比较，还需要加入滞环。

2.4过压保护电路设计

3000马力混合动力机车所用电池类型为钛酸锂电池，钛酸锂电池单体充放电范围在1.5V～2.8V之间，本装置设定保护上限为3V，电路设计采用下图2所示保护电路。

2.5耐压设计

根据《GB/T 21413.1-2008 铁路应用机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则》，3000马力混合动力机车电池系统电压等级达到了1500V，所以耐压值需要达到5000VAC。

3.功能测试及验证

3.1温度采集精度测试

将本装置及其温度传感器一起放入温箱中，调节温箱温度，通过CAN总线来读取本装置采集到的温度值。

本装置的温度采集一致性良好，低温情况下的精度略低于常温和高温时的精度，但最大误差不超过2℃，在可接受范围内，符合使用要求。

3.2过温保护功能测试

将本装置及其温度传感器一起放入温箱中，升高温箱温度，通过上位机来观察继电器状态，当继电器报警之后，开始降低温箱温度，当观察到继电器恢复后，可停止一次实验。

通过测试可知本装置的过温保护功能可以很好的实现，高温报警值低于所设上限温度1℃，恢复温度和所设恢复温度一致，皆在可接受范围内，符合使用要求。

3.3过压保护功能测试

将本装置放入温箱中，调整三种不同温度，调整本装置电压输入测电压，通过上位机来观察继电器状态，当继电器报警时，记录此时电压.

通过测试可知，本装置的过压保护功能也可以很好的实现，当单体电压达到3V左右的时候，继电器输出报警信号。皆在可接受范围内，符合使用要求。

3.4绝缘耐压测试

本装置电压输入电路构成A;温度采集电路构成B;电源正负极构成C;CAN通讯CANH引脚和CANL引脚构成D;外壳构成E。

得出结论，本装置绝缘耐压符合要求。

4.结论

从3000马力混合动力（重混）机车的现有电池管理系统的不足出发，分析不足点，提出解决方案，设计了一种温度采集和过温过压保护装置，解决了现有电池管理系统的不足之处。经过功能设计，具体电路方案设计，又经过样品的功能验证。此装置通过与电池管理系统配合使用，实现了每一个电池单体电压和温度的采集，消除了部分电池单体温度采集不到的隐患。

参考文献：

[1]田睿，康軼男.国内外混合动力机车的发展（下）[J].内燃机车，2012（10）：1-3.

[2]刘媛，文健峰，黄河，刘进程，王全.动力电池管理系统在混合动力机车上的应用[J].机车电传动，2017（06）：45-48.