電動汽車電池管理系統(tǒng)的多路電壓采集電路設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了電池管理系統(tǒng)中一種新穎的多路電壓采集電路，該電路應(yīng)用于采集電池單體電壓數(shù)目比較多的情況下，能夠顯著減少電路板的面積并降低成本，同時(shí)對測量精度影響不大。針對電路在軟件仿真和實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題，本文分析其原因，并加以改善。

蓄電池是電動車的主要?jiǎng)恿υ础楸ＷC電動車的正常和安全行駛，電池管理系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測電動車電池的電壓數(shù)據(jù)。通過電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的獲取。而為了避免電池的不均衡性帶來的局部過充/過放所引起的安全問題，要求監(jiān)測系統(tǒng)必須對每個(gè)單體或幾個(gè)單體電壓進(jìn)行精確測量。如果采用傳統(tǒng)的多路電壓采集方法，當(dāng)電池單體數(shù)目較多時(shí)，整個(gè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)會有成本高、一致性差等缺點(diǎn)。本文以電動車用鉛酸電池為對象，設(shè)計(jì)了一種新穎的多路電壓采集電路。

電池監(jiān)測系統(tǒng)中電壓巡檢的硬件結(jié)構(gòu)

一般電動汽車配備10~30節(jié)電池，單體(模塊)電壓范圍為3~20V，電池使用時(shí)串聯(lián)，蓄電池端電壓將達(dá)到200V以上。

圖1采用電路選通回路的電池管理系統(tǒng)的電壓采集方法


圖2 部分電壓信號調(diào)理電路

本文提出了如圖1所示的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)通過移位開關(guān)電路依次選通被測回路，通過A/D采集單路數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。這種設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 電路簡單。簡化制作PCB板和布線過程。
2. 使用的器件少，成本低。采集電路中主要成本來自ADC，而該電路只需要1個(gè)ADC即可。
3. 能夠解決由于運(yùn)算放大器等芯片的參數(shù)不均勻而引起的一致性較差的問題。

采集電路描述

采集對象為電動車用鉛酸電池，需要對26節(jié)電池模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的電壓、電流和溫度監(jiān)測。測量模塊電壓范圍為8V~20V，電池串聯(lián)。按圖1的設(shè)計(jì)思路，采用巡檢電路管理電壓數(shù)據(jù)的采集。

電路概述

電路中的信號巡檢部分如圖2所示，電路共26路輸入，圖2中只表示其中兩路。

在電路中，U₁~U₃為串聯(lián)模塊電壓信號的輸入端，從U₁到U₃電勢逐漸降低，每兩個(gè)相鄰輸入端點(diǎn)之間為一個(gè)電池模塊(12V)。電壓信號經(jīng)過此電路后，接入后面的分壓電路和ADC。C₁~C₂為控制信號，當(dāng)控制信號為'0'時(shí)，光耦P521處于關(guān)閉狀態(tài)，使得PNP和NPN三極管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)電壓信號輸出至ADC的通道關(guān)閉；當(dāng)控制信號為'1'時(shí)，光耦開通，電路中PNP和NPN三極管的基極產(chǎn)生反向電壓。此時(shí)，電路中三極管基極電流I_b為：
　　
參考圖2電路中的數(shù)據(jù)，可得電路發(fā)射極及集電極的電流I_ce為：


由于I_bβ>>I_ce，所以輸入回路中PNP和NPN三極管處于飽和狀態(tài)。電壓信號輸出至ADC的通道開通，實(shí)現(xiàn)模塊電壓數(shù)據(jù)的選通。

在本設(shè)計(jì)中，共有26路通道，通過26路信號控制，實(shí)現(xiàn)采集信號傳輸?shù)倪x擇。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572控制信號的高低電平，使26路控制信號依次處于信號'1'狀態(tài)，每當(dāng)一路導(dǎo)通時(shí)，其他回路處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電路的開/關(guān)控制。

電壓信號從U_OUT輸出后，經(jīng)過20V雙向瞬變二極管去除毛刺后接入分壓電路，分壓電路的輸出直接連入ADC，完成信號的采樣。通過單片機(jī)控制CPLD的輸出和系統(tǒng)的采樣周期，在CPLD開通每路控制信號2ms后采樣數(shù)據(jù)。

采集電路仿真與分析

實(shí)際應(yīng)用中，會出現(xiàn)以下問題：

接入4路9V電池模塊，電路工作正常。把26路16V電池模塊依次接入電路，共400V。在連接至第22路時(shí)，三極管被擊穿。

用Electronics Workbench仿真軟件通過電路仿真對電路進(jìn)行分析。分析主要通過兩步進(jìn)行，首先分析單路導(dǎo)通過程中尖峰產(chǎn)生的原因，然后分析整體電路連續(xù)導(dǎo)通時(shí)的尖峰過程。

單路仿真

單路仿真模型如圖3所示。

圖3單路仿真模型

其仿真波形的每個(gè)方波的上升沿和下降沿都有一個(gè)小尖峰，將波形放大后得到尖峰的峰值為500mV。分析產(chǎn)生尖峰的原因有以下兩點(diǎn)：

1. 回路中感性元件的影響
一般電路中導(dǎo)線都有感性， 發(fā)生變化時(shí)，電路中的感性元件會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，可能會引起電路中的尖峰。搭建如圖3的模型，通過改變電感的感抗分析感性元件對電路的影響。

通過仿真可得，電感感抗為4.7 mH電路的尖峰峰值為500mV，而100 mH感抗電路的尖峰峰值為3V左右。進(jìn)行多組仿真可以得到：電路中電感感抗越大，尖峰的峰值越高。

２. 三極管開關(guān)時(shí)間特性的影響
每個(gè)回路中有PNP和NPN兩個(gè)三極管，而這對三極管的導(dǎo)通時(shí)間的差異對尖峰的產(chǎn)生也有影響。

如圖4所示，分析單路中兩個(gè)三極管導(dǎo)通的過程。當(dāng)兩個(gè)三極管的導(dǎo)通時(shí)間不同時(shí)，如果一個(gè)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，而另外一個(gè)尚未導(dǎo)通，此時(shí)U_OUT和GND中一端由于三極管導(dǎo)通而與輸入電壓(U₁或U₂)電位相同，而另一端則由于三極管沒有導(dǎo)通而處于未知電平狀態(tài)，如果此未知電平小于輸入低電平，則可能在三極管導(dǎo)通的瞬間產(chǎn)生尖峰。在兩個(gè)三極管關(guān)閉的時(shí)候亦然。

在圖3搭建的模型中，觀測回路中NPN三極管兩端的波形，當(dāng)NPN三極管關(guān)閉時(shí)，三極管的ce兩極有-250mV的壓降，而三極管導(dǎo)通時(shí)，ce兩極間有250mV的壓降。由此可知在圖4中，三極管關(guān)閉時(shí)B點(diǎn)與GND之間存在250mV的壓降，從而在Q₁導(dǎo)通而Q₂未導(dǎo)通時(shí)，U_OUT-GND間電壓比U₁-U₂間電壓高250mV，通過以上分析，在Q₂導(dǎo)通時(shí)，會產(chǎn)生250mV的尖峰。

對于單路電路來說，三極管開關(guān)特性影響的數(shù)值是定值，為0.25V。在圖4中可以看到，當(dāng)電感感抗為100mH時(shí)，電路的峰值為3V，可知電路中感性元件對電路的影響占主導(dǎo)地位。

多路仿真

多路仿真模型如圖５所示。

圖4 導(dǎo)通電路


圖5 多路仿真模型

模型共有4路通道，每路電壓為12V，采用電流開關(guān)控制采集通道的選通，控制電路為74LS138片選芯片。片選的三個(gè)輸入端是頻率為1000Hz、500Hz和250Hz的脈沖信號，這樣，在輸出端從Y₀到Y(jié)₇依次產(chǎn)生低電平信號，模型選用其中4路作為電流開關(guān)的控制信號。

當(dāng)模型的第1路開通時(shí)，輸出波形有比較明顯的尖峰(峰值為10V左右)。而在其他路開通時(shí)，輸出波形的尖峰比較小(峰值為1V左右)。而由單路仿真可知，電路中由感抗引起的尖峰一般不會到10V。

觀察第1路PNP管上的波形，見圖６。圖中，位置靠下的曲線為c極的波形(圖7中B點(diǎn)的波形)，位置靠上的曲線為e極的波形(圖7中A點(diǎn)的波形)。從圖中可以看出，在所有4路三極管都關(guān)閉的時(shí)刻，輸出點(diǎn)B的電壓比輸入點(diǎn)A低24V左右，即D點(diǎn)電壓低于A點(diǎn)24V左右(三極管關(guān)斷時(shí)B、D兩點(diǎn)電壓相同，參見圖6)。當(dāng)PNP管的導(dǎo)通時(shí)間比NPN管短時(shí)，圖7中通路打開前A點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)24V左右，當(dāng)PNP管導(dǎo)通而NPN管還沒有導(dǎo)通的時(shí)候，輸出回路的壓降UBD為24V，而當(dāng)NPN管導(dǎo)通形成回路以后，要求輸出壓降下降到電池輸入兩端的電壓值，即12V，此時(shí)，輸出回路經(jīng)過放電達(dá)到要求，而產(chǎn)生第1路導(dǎo)通時(shí)刻的尖峰。

由于電路是依次導(dǎo)通的，在上一路電路關(guān)閉時(shí)，輸出端的電勢維持在關(guān)閉前的狀態(tài)，由此不會產(chǎn)生過高的尖峰。而小尖峰產(chǎn)生則主要是由電路感抗引起的。

當(dāng)輸入路數(shù)比較多的時(shí)候，在所有回路都關(guān)閉時(shí)，輸出回路處在某個(gè)未知電平。當(dāng)三極管開關(guān)時(shí)間特性不同時(shí)，在導(dǎo)通瞬間，輸出波形中會出現(xiàn)尖峰，輸入回路中與PNP管相對應(yīng)端的電勢越高，輸出的尖峰則越高。

下面測量實(shí)際電路的波形，首先接入6路左右的16V電池組，用示波器觀察輸出回路中U_OUT與地線之間的電壓。第一路電池組導(dǎo)通時(shí)，輸出電平左端有尖峰出現(xiàn)，實(shí)際波形與分析的吻合，搭建的仿真模型有效。

改進(jìn)方案及改進(jìn)后電路測量數(shù)據(jù)的精度

根據(jù)仿真結(jié)果，確定電路出現(xiàn)問題主要有以下兩個(gè)原因：
1. 回路中感性元件的影響；
2. 三極管開關(guān)特性的影響，此為主要原因。

針對分析結(jié)果的改進(jìn)方案

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采取了以下改進(jìn)措施：

1. 并聯(lián)電容
為了消除電路中電感對電路的影響，在輸出回路的兩端并聯(lián)電容。并聯(lián)電容基本上與回路的電感呈一定比例，而使得電路呈純阻性。

2. 串聯(lián)限流電阻
在每對三極管和二極管中串聯(lián)限流電阻，可以保護(hù)三極管不會由于過流而擊穿。同時(shí)，由于此限流電阻還有分壓作用，使得瞬變二極管上的電壓進(jìn)一步降低，使瞬變二極管不易被擊穿。

圖6 第1路PNP三極管兩端的波形


圖7 第1路仿真模型

改進(jìn)后的電路

經(jīng)過在回路中串聯(lián)限流電阻，電路的安全性得到保證。但電路的一致性和線性則需要進(jìn)一步測試。

一致性測量

測量一致性的主要問題是電路中串聯(lián)的限流電阻的阻值之間有誤差。在電路中串聯(lián)的限流電阻為20k，誤差為1％。分別輸入9V和16V待測電壓，分別接入26路輸入端，得到的測量數(shù)據(jù)不在此詳述。

由數(shù)據(jù)可以看出，第22、23、25和26路的測量結(jié)果偏小，最大測量誤差為1.25%，測量一致性良好。

線性測量
由于電路中使用了三極管等非線性元器件，所以測量的線性需要驗(yàn)證。驗(yàn)證時(shí)，隨機(jī)抽取一路，輸入電壓在2.0V~20.0V之間，每隔1V測量一次數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)也不在此詳述。

通過數(shù)據(jù)可知，輸入電壓在5V以下時(shí)，測量數(shù)據(jù)是不可靠的。當(dāng)輸入電壓高于5V時(shí)，測量數(shù)據(jù)與輸入電壓基本呈線性關(guān)系。由于本系統(tǒng)主要用于鎳氫電池的測量，模塊電壓為12V左右，電路可以滿足測量要求。

結(jié)語

本文就A/D采樣測量電路中常用的多路電壓采集電路提出了一種設(shè)計(jì)方法。針對電路使用中出現(xiàn)的問題，結(jié)合Electronics Workbench電路仿真軟件搭建模型仿真電路，提出了電路的改善方法。經(jīng)過驗(yàn)證，電路的一致性和線性較好，同時(shí)又具有電路簡單、器件少等優(yōu)點(diǎn)。