船用锂电池组电池管理系统的PCB设计

摘要

以新能源构成的供电方式已越来越多地应用到船舶电力系统中，其中锂电池组作为船舶多能源供电系统重要组成部分，其安全可靠运行是保证新能源船舶可靠航行的关键，而锂电池组能否安全可靠运行则取决于锂电池组管理系统(BMS)性能的优劣，然而关于锂电池组电池管理系统的研究，大部分都是针对车载锂电池组，其研究层面也仅限于管理策略电路拓扑的设计等，而对于电路及搭载系统的印制电路板本身的可靠性没有给以足够的重视。因此，本文通过对船用锂电池组工作环境及工作状况的分析，根据其特殊要求设计了合适的系统结构，并在电源电路及通信电路上特别注意了其电磁兼容性能，完成了电池管理系统的主控制模块、电池信息采集模块、电池均衡模块等的具体电路设计。
　　首先，在系统电路的设计上，主要采用了DSP作为主控制器，保证了系统的运算能力和快速响应能力;电池信息采集模块以及均衡模块采用LTC6804与LTC3300联合运作，实现了对电池组中每一块电池参数的监视及保护。
　　其次，在完成电路设计后，根据实际需求将系统电路分成主控制板、电池信息采集板、电池能量均衡板三大功能板，根据常规布线布局规则，对板上各信号线的线宽、过孔大小、层叠设置等进行了具体的约束，并完成了各印制电路板(PCB)的绘制。
　　最后，通过HyperLynx信号完整性仿真软件，以改善电磁兼容性能及提高信号传输质量为目的，对各板上关键信号线上存在的反射、串扰、电磁辐射等问题进行了仿真并改进。
　　本文主要完成船用锂电池组电池管理系统硬件的实现及其印制电路板的设计，因此并没有涉及到具体的电池管理策略及软件控制方法。接下来将以本设计为实验平台，进行管理策略以及软件方案的实现，并依据实验数据进一步优化设计，直至完成最终产品的研发。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 船舶工作环境对电池管理系统的要求

1．3 印制电路板的设计要求

1．3．1 电磁兼容性

1．3．2 信号完整性

1．3．3 电磁兼容性与信号完整性的关系

1．4 本文主要内容

第2章 船用锂电池管理系统分析

2．1 锂电池管理系统的功能简介

2．2 锂电池管理系统的结构简介

2．3 核心芯片选型分析

2．3．1 处理器选型

2．3．2 电池信息采集芯片选型

第3章 系统电路设计

3．1 电源电路及其电磁兼容性设计

3．2 处理器最小系统设计

3．2．1 复位、电源及晶振电路设计

3．2．2 JTAG程序下载接口

3．2．3 外扩Flash的设计

3．3 主控制板输入输出电路设计

3．3．1 继电器开关量输出电路

3．3．2 模拟量输入调节电路

3．4 通信电路及其EMC设计

3．4．1 CAN总线通信电路简介

3．4．2 RS232串口电路

3．4．3 isoSPI隔离串行通信接口

3．5 LTC6804电池信息采集模块设计

3．5．1 芯片引脚配置

3．5．2 供电方式及其配置

3．5．3 信息采集方式及电路配置

3．5．4 通信方式及其配置

3．6 均衡电路设计

3．6．1 被动均衡和主动均衡对比

3．6．2 主动均衡芯片选择

3．6．3 双向同步反激式DC／DC变换器工作原理

3．6．4 主动均衡电路设计

第4章 系统PCB设计

4．1 系统模块化及板间连接设计

4．2 Altium Designer简介

4．3 器件布局规划

4．3．1 板子形状和大小预设置

4．3．2 主控板及采集板模块化布局设计

4．3．3 均衡板布局设计

4．4 电路板层叠结构选择及规划

4．4．1 多层扳的优缺点及使用情况分析

4．4．2 本设计中各电路板的层叠选择

4．5 过孔的选择

4．6 布线规则设计

4．6．1 线宽约束

4．6．2 布线的一般规则

4．6．3 各电路板布线步骤

第5章 系统信号完整性分析

5．1 信号完整性常见问题

5．1．1 单条信号线的信号完整性问题

5．1．2 串扰

5．1．3 电磁干扰(EMI)

5．2 信号完整性仿真模型

5．3 信号完整性问题的解决方法

5．3．1 反射的解决方案

5．3．2 串扰的解决方案

5．3．3 电磁干扰的解决方案

5．4 本系统关键信号线的信号完整性仿真分析

5．4．1 仿真前准备

5．4．2 信号反射的仿真与改进

5．4．3 信号串扰的仿真与改进

5．4．4 系统EMI仿真及改进

第6章 总结与展望

致谢

参考文献

附录