BMS元器件选型报告.docx

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BMS元器件选型报告

BMS硬件元器件

选型报告

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当版本排序到1.9时，再次更改后，版本序号更换到V2.0，后续排列序号依此类推。

2）日期的命名按照年-月-日的顺序，具体格式见上表的示例。

Note:

1）VersionNo.shouldbeincreasedinorder.ThefirstversionNo.isV1.0.IftheversionNo.reachto1.9andthespecificationisrevisedonceagain,theversionNo.shouldbeincreasedtoV2.0.

2）Dateshouldbeinformat:

Year-Month-Day,seethedemointhetableabove.

1概述

为了保证设计的可靠性，根据系统功能需求完成相应参数的设计计算，完成此报告。

2功能模块

2.1系统电源模块

2.1.1功能描述

X系统电源模块能够将12V供电转换成+5V电压，为电路中的+5V网络提供供电电源。

电源模块能够通过外部唤醒开始电压转换，从而实现了低功耗的目标。

电源模块中的电源检测电路能够对供电电源的电压进行监测。

系统主电源架构图如下所示：

◆电源架构

图2主电源架构图

◆功能描述

Ø通过常火、快充辅助电源、给BMS各电子部件供电；

Ø两种供电方式除常火做ISO7637防护之外，其它接口只做ESD防护；

Ø两种供电方式全部用肖特基二极管做反接防护；

Ø唤醒电路同时也是主电路的通断电路，以保证下电时休眠功耗最小；同时快充辅助供电无需唤醒电路，通电即工作；

Ø共模滤波和差模滤波为提高整个模块的抗扰性能、减少对外骚扰。

2.1.2实现原理

（1）、电源模块产生的+5V电压主要为以下电路部分提供供电电压：

CAN通讯电路、MCU主控电路、3.3VFlash电源LDO,EEPROM、LED、逻辑控制电路等进行供电。

其中芯片逻辑电流包括主控芯片S912XEG128W1MAA的供电电流和CAN收发器TJA1051的供电电流。

芯片逻辑电流为：

5V转3.3VLDO输出最大200mA电流,EEPROM芯片工作电流，MCU主控电路指示灯亮时的供电电流。

开关逻辑电流为：

所以+5V网络所需提供的供电最大电流约为：

使用的DCDC电源芯片TLE8366EV50进行点平转换，该芯片能够提供5V/1.8A的电源输出，满足供电需求且有较高的余量。

（2）、在系统电源输入端加TVS二极管，当电源两极受到反向瞬态高能量冲击时，其用于吸收浪涌功率，有效的避免免受各种浪涌脉冲的损坏。

本系统支持的电源输入范围为6~18V，电源芯片的电压输入范围为4.75~45V。

所以TVS的导通电压应大于18V小于45V。

（3）、TVS后端加防反二极管，进行电源反接保护。

因为+5V电源网络的最大供电电流为374.82mA，电源芯片TLE8366EV50输入电压12V，输出电压5V时的转换效率为90%，所以供电电源为12V时，电源芯片输入电流为：

此处选用的防反二极管为肖特基二极管时，和硅管比能降低其耗散功率，如选用硅管，其耗散功率为：

而选用肖特基二极管SS5P9,其耗散功率将会有所下降。

（4）、为消除电源的共模干扰对电源系统的影响，需加共模滤波器，另为了消除电源中的低频和高频噪声，需在电源输入口添加π型滤波网络以及电解电容及陶瓷电容；

（5）、当唤醒电压大于6V时，唤醒电路打开10V供电回路上的PMOS,电源芯片TLE8366EV50的输入引脚和使能引脚同时供电。

可以通过调整唤醒电阻分压网络对唤醒电压进行分压。

此外，需加防反二极管进行唤醒电路反接保护。

（6）、为了减少系统休眠时的静态功耗，在系统休眠时供电电源检测电路回路应该被断开。

使用+5V电源控制电源检测电路的通断。

供电输入的电平为6~18V，而逻辑电平为5V，考虑到电源的分离，需要使用两级控制。

此外，该电路是电平检测电路，电流较小，所以本设计选用NPN与PNP两个三极管组成开关控制电路进行高边信号检测。

2.1.3关键器件选型

电源芯片选择INFINEONTLE8366EV504.75~45VInput5V1.8AOutput.

2.2主控MCU模块

2.2.1功能描述

◆架构

见图方案示意图。

◆功能描述

ØBCU为BMS系统内的主控单元，负责收集电池检测单元BMU采集的电池温度、电压数据；高压检测单元HVU的总压、绝缘数据；并整合处理，进行报警、保护动作；

Ø自身采集电池组电流，并根据路况参数计算SOC等参数；控制高压回路继电器，保证整车高压安全；

Ø主MCU对高压继电器进行控制，对电池充电进行控制，有效效保证行车、充电安全；

Ø霍尔电源使用独立的电源电路，自带短路、过流保护，有效保证主板电源安全；

Ø各驱动电路使用智能高低边开关，自带短路、过流、过温保护，并可根据反馈信号进行报警、保护动作；

Ø使用双通道霍尔，确保小电流充放电时的电流检测精度；

Ø充电插头插座的连接检测使用开关量+模拟信号的冗余检测，确保检测准确性；

2.2.2实现原理

其中包括单片机最小系统及指示灯、电压监控芯片，EEP与Flash存储单元，实现产品运行状态、及实时数据的保存功能；

2.2.3关键元器件选型

2.3驱动控制模块

2.3.1驱动供电架构

图10驱动电源架构

通过常火、快充辅助电源、给BMS驱动电路供电；两种供电方式除常火做ISO7637防护之外，其它接口只做ESD防护；因驱动电路功耗大，故防反二极管选择了双路10A肖特基二极管；

2.3.1.1高边驱动架构

图11高边驱动

◆功能描述

输出高电平（+12V）信号，驱动相应继电器工作。

2.3.1.2高边驱动架构

◆架构

图12低边驱动

◆功能描述

输出低电平（0V）信号，驱动相应继电器工作。

2.3.3关键元器件选型

2.3.3.1高边驱动

英飞凌BTS724G（高边开关、额定负载电流3.3A）带错误诊断，防短接、反接保护等功能。

概述：

BTS724G负载能力单路3.3A，四路7.3A，工作电压5.5V至40V；具有短路保护、过载保护、电流限制、过温保护和过压保护功能。

整体原理框图如图13所示

图13BTS724G原理框图

ESD防护原理框图如图14所示

图14BTS724GESD防护原理框图

过压及电源反接保护原理框图及参数选择如图15所示

PIN脚定义如图16所示

图16BTS724GPIN脚定义

本模块电路中依据数据手册推荐参数选择RST取15K，RGND取150Ω满足设计要求。

英飞凌BTS3125EJ（低边开关，额定电流负载2A），带诊断功能。

2.4电磁锁控制模块（H桥）

2.4.1功能描述

◆架构

图17电磁锁控制

◆功能描述

为实现充电时人为误操作带来的充电风险，充电电流≥16A时对充电插头进行锁止操作。

2.4.2实现原理

◆实现原理

市场上普遍存在的电子锁基本都是正压上锁、负压解锁。

这是典型的电机控制方式，故可采用H桥进行驱动

2.4.3关键器件选型

◆选型

H桥驱动使用TLE9201SG芯片，具有SPI和错误帧两种控制方式，可根据MCU资源情况进行选择。

且具有错误反馈，芯片关闭等功能，驱动电流可达6A，控制简单，可靠性较高。

2.5电流采集模块

2.5.1功能描述

◆架构

◆功能描述

采集系统电池组充放电过程中总电流，判断电池组运行状态，进而执行相应的系统控制策略。

2.5.2实现原理

◆实现原理

电流传感器：

利用霍尔效应将电流信号转化为电压信号。

根据电流大小选择单\双量程霍尔传感器。

测量：

两个测量通道电压经过信号调理后送入MCU内置模数转换器ADC采样。

LEM霍尔传感器关于此检测电路设计及参数选择推荐如图18：

图18LEM推荐电压检测参考电路

具体实现电路如图19所示：

图19电流检测实现电路

充放电电流经霍尔传感器将电流信号转换成电压信号，电压信号经滤波、跟随、分压、跟随后传至单片机对应采集口。

器件选型：

据参考设计下拉电阻选用10K；

电压跟随器选用：

AD8617WARZ-ADI。

电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，起到阻抗匹配的作用且可以提高电路带负载能力。

2.6输入输出模块

2.6.1功能描述

2.6.1.1频率输入

◆架构

图20频率输入

◆功能描述

支持开漏、推挽架构的PWM信号输入；

PWM频率范围0-1kHz。

◆实现原理

输入端口二极管用于防反，避免大电压异常进入接口内部电路；

高电平时信号时上拉电阻用于稳定上拉电压，经大阻值电阻限流、肖特基二极管钳位，送至MCU不大于5.25V的耐受电压；

低电平时上拉电压经上拉电阻、二极管分压至MCU可接受的低电平范围。

2.6.1.2高低边输入检测

◆架构

图21高/低边输入检测

◆功能描述

支持开漏、推挽架构的IO信号，高电平有效；

可兼容PWM信号检测，频率范围0-1kHz。

2.6.2实现原理

2.6.2.1频率输入

◆实现原理

使用电阻分压后MCUIOC口检测实现。

2.6.2.2高低边输入检测

◆实现原理

利用NPN三极管作为低边开关驱动高边PNP三极管实现。

2.7时钟模块器件

2.7.1功能描述

◆架构

图22时钟

◆功能描述

实现系统时间标定、自检时间设定等功能。

2.7.1实现原理

◆实现原理

时钟芯片与MCU之间通过I2C接口进行数据读写。

时钟芯片使用专用5VLDO从KL30取电进行供电。

时钟芯片可通过INT中断口发出定时、报警中断信号，启动BMS系统自检功能，并唤醒主电源DCDC。

2.7.3关键元器件选型

◆选型

时钟芯片选择EPSON的车规产品RA8900CE，内置DTCXO，高精度，内置电源切换。

2.8数据存储模块

2.8.1功能描述

◆架构

图23数据存储

◆功能描述

数据存储用于记录、存储电池管理系统的配置信息和电池运行信息。

有2种存储方式：

EEPROM（MCU内置、外部）、FLASH。

2.8.1实现原理

◆实现原理

FLASH：

外置16MBFLASH，主MCU通过SPI接口读写。

FLASH只能在3.3V电压下工作，MCU的读写信号需经电平转换。

EEPROM：

MCU内置4KB，可直接读写；外置512KbEEPROM，与MCU之间I2C通讯交换数据。

2.8.3关键元器件选型

◆选型

FLASH芯片：

winbindW25Q128BVFA。

电平转换芯片：

TITXS0104EQPWRQ1。

EEPROM芯片：

MICROCHIP24LC512T-E/SN。

2.9CAN通讯模块器件

2.9.1功能描述

◆架构

图24CAN通讯架构图

◆功能描述

作为正常CAN通讯使用，与整车其他组件交互控制和状态信息；

2.9.1实现原理

作为唤醒控制电路使用，收发器符合ISO11898-6标准。

CAN总线双向差分信号经由CAN收发器TJA1145T转为单向收发信号，传给MCUCAN控制器，实现C20C与外部之间通讯；

TJA1145T的电源与地之间加一个滤波电容及储能电容，用于滤波及储存能量；

收发器后端的共模滤波器ACT45B可以实现其抗高频干扰能力，提高电磁兼容性能；

NUP2105保护器件能有效的防止静电击穿，实现对器件的保护；

终端电阻的设计为了实现阻抗匹配，匹配信号源和传输线之间的阻抗，减少反射及噪声、避免振荡，与后级电路的输入电容组成RC滤波器，消弱信号边沿的陡峭程度，防止过冲。

收发器接收到符合唤醒条件的CAN数据帧时，输出高电平以驱动主电源唤醒电路。

这样可以节省整车一根硬线资源，同时可只唤醒需要工作的组件，避免同时唤醒无需工作的组件。

2.9.3关键元器件选型

◆选型

CAN收发器使用NXP符合ISO11898-6标准的TJA1145芯片，其支持唤醒帧滤波的唤醒方式，并可支持CANFD通讯。

终端电阻选择

ISO11898-5-20077.4.1page18部分对终端电阻选择要求如图25所示：

图25终端电阻选择标准

根据要求选用一个电阻作为终端电阻时，单个电阻取值最小100Ω，最大130Ω，单个电阻功耗不低于220mW。

采用两电阻时，电阻值应遵循SAEJ2284-3，R1和R2的值应当在60R-62R之间（注意：

运行满足IEC600631%电阻值如下：

60.4，61.9欧姆，R1和R2等于SAEJ2284-3规定的总线终端阻抗RL的一半），在ECU的工作环境温度范围内电阻功耗至少为250mW。

现电路终端电阻选用：

RC1206FR-0760R4L_YAGEO，阻值、精度满足要求。

CSplit电容选择

作用：

分裂终端功能使用时，该电容用于稳定分裂终端的中心电压及改善EMC性能。

根据ISO11898-5-20077.4.2page19对此电容性能要求如图26所示：

图26终端电阻选择标准

据标准要求电容容值范围在1nF到100nf,耐压值大于58V且应当适合高频应用。

本CAN电路设计中，电容选择

CC0805KRNPO0BN472_4.7nF_10%_100V_0805_NP0_YAGEO满足标准要求。

ESD保护器

标准要求如下：

◆ESD瞬态抑制技术应当兼容共模模式总线电压范围。

因此ESD保护电路应在电压范围内提供高的阻抗，比如：

Rin_ESD>100Kohms对于-2V

◆ESD电路不应当降低CAN接口匹配的总线输入阻抗和总线输入电容；

◆ESD保护元器件可能包含背对背的齐纳二极管，MLE,MOV，或其他不超过SAEJ2284-3电容限制的抑制器件；

◆ESD瞬态抑制器件应当提供的击穿电压高于启动状态时的最大的蓄电池电压，比如高于26.5V；

本CAN总线接口电路中，总线保护器件选择如下：

◆型号：

NUP2105LT1G_26.2-32V_350W_SOT-23_TVS_ON；

◆概述：

NUP2105设计专门用于保护CAN收发器免受来自ESD带来的损坏，满足严格的EMI要求。

◆特性：

1）50WPeakPowerDissipationperline（8x20secWaveform）；

2）LowReverseLeakageCurrent（<100nA）；

3）ISO7637−1,NonrepetitiveEMISurgePulse2,9.5A（1x50s）；

4）ISO7637−3,RepetitiveElectricalFastTransient（EFT）EMISurgePulses,50A（5x50ns）；

5）IECCompatibility:

−IEC61000−4−2（ESD）:

Level4；

−IEC61000−4−4（EFT）:

40A–5/50ns；

−IEC61000−4−5（Lighting）8.0A（8/20s）。

6）ESD保护（TJ=25°C）

HumanBodymodel（HBM）：

16KV；

MachineModel（MM）l:

400V；

EC61000−4−2Specification（Contact）:

30KV。

7）电气特性如图27所示

图27NUP2105电气特性

综上本电路所选器件NUP2105满足标准设计要求。

a）EMC电容选择

GMW3122page9要求如图28所示：

图28EMC电容选择

根据标准要求：

电容容值范围在40pf到100pf之间，两电容容值差值不能超过10%，耐压值大于100V且适合高频应用。

本CAN总线接口电路设计中电容选择

CC0603JRNPO0BN560_56pF_5%_100V_0603_NPO_YAGEO满足标准要求。

2.10单体电压采集模块器件

单体电压采集模块方案示意图如下所示：

2.10.1功能描述

基于MAX17823芯片对电池单体电压进行采集，并对相关故障进行诊断，同时将采集的电池电压、电池温度及故障诊断信息上传至MCU。

2.10.2实现原理

本电压采集方案为基于MAX17823采集芯片对电池单体电压进行采集存储传输。

MAX17823提供一整套专用的ISO-26262集成诊断功能，最大程确保电池的安全性和可靠性。

器件的模拟前端由12通道电压测量数据采集系统和高压输入开关阵列组成。

所有的测量值为电池两端的差分数据，单极性模式下满量程为0至5V。

单极性模式下从0至4.8V范围内确保稳定的测量精度。

输入复用器允许对电池组的每节电池进行差分测量。

采用高速、12位逐次逼近A/D转换器量化电池电压。

在低于160us的时间内可以完成全部12节电池的测量。

IC采用二次扫描架构采集电池数据并进行误差修正。

扫描的第一阶段为数据采集，对所有12节单体电池电压进行采样；第二阶段为误差修正，对ADC输入进行斩波，消除误差。

通过上述两个步骤，能够在整个温度范围和嘈杂环境下获得优异的精度指标。

具体实现电路如下图所示：

图16电压采集实现电路

图17板内菊花链通信

2.10.3器件选型

1）电压采集前端滤波电容选择：

单体电压采集输入端并入3.9nf电容，电容等效模型如图18所示：

图18电压采集实现电路

分析：

单个元件对应阻抗分别为：

ZR=R;ZL=jwL;ZC=-j/wc。

则RLC串联电路阻抗为

Z=U/I=R+jwL+1/jwc

=R+j（wL-1/wC）

虚部阻抗X=XL+XC=wL-1/wC

Ø当X>0即wL>1/wC，称Z呈感性；

Ø当X>0即wL<1/wC，称Z呈容性；

Ø当X=0即wL=1/wC，w=1/√LC，此点称为谐振点，串

联阻抗最小；

Ø阻抗频率特性如图19所示:

图193.9nf电容阻抗频率特性图

本方案中电容选择3.9nf,谐振点在100MHZ,等效阻抗Z=40mΩ。

注：

失效风险分析

Ø电容置于CntoAGND间，若电短路处于短路失效模式则会导致

电池从CntoC1间电池全部短路；

Ø电容置于CntoCn-1间，若电短路处于短路失效模式则会导致

电池从CntoCn-1间单个电池短路；

Ø电容置于CntoCn-1间相较于置于CntoAGND，滤波效果偏低。

实际滤波效果待实验验证；

Ø综合滤波效果及失效风险，权衡后将3.9nf电容调整由原添加至

CntoAGND，试验时贴，批量生产不贴。

2）菊花链通信线上磁珠选择

磁珠型号：

MMZ2012Y202BT1000

磁珠等效模型如下图20所示：

图20磁珠等效模型

分析：

单个元件对应导纳分别为

ZR=1/R；ZL=1/jwL；ZC=jwc；

则RLC并联电路阻导纳为

Y=I/U=1/R+1/jwL+jwc

=1/R1+j（wC-1/wL）

虚部阻抗X=XL+XC=wC-1/wL

Ø当X>0即wC>1/wL，称Y呈容性；

Ø当X>0即wC<1/wL，称Y呈感性；

Ø当X=0即wC=1/wL，w=1/√LC，此点称为谐振点，导纳最小

ØMMZ2012Y202BT1000型号磁珠中：

R1=2100mΩ，L1=3.5uH，

C1=0.6pF，R2=0.29mΩ，当频率为100KH时，计算得阻抗为2KΩ。

Ø频率特性分别如图21所示：

图213.9nf电容阻抗频率特性图

1）电压采集前端ESD保护器件选择

限压保护措施方案如图21所示下：

图21限压保护措施方案

注：

应用中为考虑其1要素即防止当电池反接时，电池经单向TVS构成回路，电池近似短路，现使用双向TVS。

综合芯片手册提供的ESD二极管参数及TVS相关参数，如漏电流、钳位电压等，现TVS型号选择为:

TPSMBJ8.5CA

2.11被动均衡模块器件

2.11.1功能描述

电池在生产过程中产生的非一致性，导致单体电压之间存在一定误差，因此需要对电压过高的单体进行均衡，以实现单体电压具有较高的一致性。

2.11.2实现原理

MAX17823通过内部MOS管开通关断以实现均衡的开启与关闭，内部MOS管可过最大电流150mA，现有方案设计中参数设计最大均衡电流约为130mA，均衡电阻阻值选取最终需根据试验情况情况而定。

具体实现电路如下图22所示：

图22均衡实现电路

2.11.2器件选型

电阻降额曲线如图23所示：

图23电阻降额曲线

a）芯片内部MOS管阻抗范围为0.5-5Ω；

b）均衡回路阻抗：

37.5-42Ω；

c）以单体电压4.2V计，内部MOS常开，计算得：

Imax=U/Rmin=112mA

Imin=U/Rmax=100mA

d）单个均衡电阻功耗：

Pmax=I2R=0.0562*30=0.094W<0.25W

2.12温度检测模块器件

2.12.1功能描述

本模块电路设计主要用于检测电池极柱温度。

2.12.2实现原理

具体实现电路如图24所示：

图24温度检测实现电路

2.12.3器件选型

因检测的为电池极柱温度，温度传感器分布在高压区，考虑到电气隔离，现温度采集方案，为利用MAX17823芯片本身自带的AD口实现温度采集。

MAX1783参考电源驱动能力最大2mA,单口共需要采集6路温感。

Ø上拉电阻选择

方案1：

选用10K温感，此时上拉电阻选取10K，所需最大驱动电路：

。

优点：

电流大抗干扰；

缺点：

所需驱动电流接近芯片驱动能力上限。

方案2：

选用100K温感，此时上拉电阻选取100K，所需最大驱动电流：

。

优点：

所需驱动电流小；

缺点：

电流小易受干扰。

Ø多路复用器：

SN74LV4052AQPWRQ1-_2-5.5V_TSSOP16_TI