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蓄電池是電動車的主要動力源。為保證電動車的正常和安全行駛，電池管理系統必須實時監測電動車電池的電壓數據。通過電壓采集電路和A/D轉換實現電壓數據的獲取。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，要求監測系統必須對每個單體或幾個單體電壓進行精確測量。如果采用傳統的多路電壓采集方法，當電池單體數目較多時，整個管理系統的設計與實現會有成本高、一致性差等缺點。本文以電動車用鉛酸電池為對象，設計了一種新穎的多路電壓采集電路。 電池監測系統中電壓巡檢的硬件結構 一般電動汽車配備10"30節電池，單體(模塊)電壓范圍為3"20V，電池使用時串聯，蓄電池端電壓將達到200V以上。 圖1采用電路選通回路的電池管理系統的電壓采集方法 圖2 部分電壓信號調理電路 本文提出了如圖1所示的設計思路。設計通過移位開關電路依次選通被測回路，通過A/D采集單路數據，完成數據采集。這種設計方法具有以下優點： 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ADC即可。 3. 能夠解決由于運算放大器等芯片的參數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節電池模塊進行實時的電壓、電流和溫度監測。測量模塊電壓范圍為8V"20V，電池串聯。按圖1的設計思路，采用巡檢電路管理電壓數據的采集。 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為串聯模塊電壓信號的輸入端，從U1到U3電勢逐漸降低，每兩個相鄰輸入端點之間為一個電池模塊(12V)。電壓信號經過此電路后，接入后面的分壓電路和ADC。C1"C2為控制信號，當控制信號為'0'時，光耦P521處于關閉狀態，使得PNP和NPN三極管處于關閉狀態，此時電壓信號輸出至ADC的通道關閉；當控制信號為'1'時，光耦開通，電路中PNP和NPN三極管的基極產生反向電壓。此時，電路中三極管基極電流Ib為： 參考圖2電路中的數據，可得電路發射極及集電極的電流Ice為： 由于Ib·β>>Ice，所以輸入回路中PNP和NPN三極管處于飽和狀態。電壓信號輸出至ADC的通道開通，實現模塊電壓數據的選通。 在本設計中，共有26路通道，通過26路信號控制，實現采集信號傳輸的選擇。本設計選用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，每當一路導通時，其他回路處于關閉狀態，實現電路的開/關控制。 電壓信號從UOUT輸出后，經過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。通過單片機控制CPLD的輸出和系統的采樣周期，在CPLD開通每路控制信號2ms后采樣數據。 采集電路仿真與分析 實際應用中，會出現以下問題： 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，三極管被擊穿。 用Electronics Workbench仿真軟件通過電路仿真對電路進行分析。分析主要通過兩步進行，首先分析單路導通過程中尖峰產生的原因，然后分析整體電路連續導通時的尖峰過程。 單路仿真 單路仿真模型如圖3所示。 圖3單路仿真模型 其仿真波形的每個方波的上升沿和下降沿都有一個小尖峰，將波形放大后得到尖峰的峰值為500mV。分析產生尖峰的原因有以下兩點： 1. 回路中感性元件的影響 一般電路中導線都有感性， 發生變化時，電路中的感性元件會產生感應電動勢，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. 三極管開關時間特性的影響 每個回路中有PNP和NPN兩個三極管，而這對三極管的導通時間的差異對尖峰的產生也有影響。 如圖4所示，分析單路中兩個三極管導通的過程。當兩個三極管的導通時間不同時，如果一個三極管處于導通狀態，而另外一個尚未導通，此時UOUT和GND中一端由于三極管導通而與輸入電壓(U1或U2)電位相同，而另一端則由于三極管沒有導通而處于未知電平狀態，如果此未知電平小于輸入低電平，則可能在三極管導通的瞬間產生尖峰。在兩個三極管關閉的時候亦然。 在圖3搭建的模型中，觀測回路中NPN三極管兩端的波形，當NPN三極管關閉時，三極管的ce兩極有-250mV的壓降，而三極管導通時，ce兩極間有250mV的壓降。由此可知在圖4中，三極管關閉時B點與GND之間存在250mV的壓降，從而在Q1導通而Q2未導通時，UOUT-GND間電壓比U1-U2間電壓高250mV，通過以上分析，在Q2導通時，會產生250mV的尖峰。 對于單路電路來說，三極管開關特性影響的數值是定值，為0.25V。在圖4中可以看到，當電感感抗為100mH時，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地位。 多路仿真 多路仿真模型如圖５所示。 圖4 導通電路 圖5 多路仿真模型 模型共有4路通道，每路電壓為12V，采用電流開關控制采集通道的選通，控制電路為74LS138片選芯片。片選的三個輸入端是頻率為1000Hz、500Hz和250Hz的脈沖信號，這樣，在輸出端從Y0到Y7依次產生低電平信號，模型選用其中4路作為電流開關的控制信號。 當模型的第1路開通時，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，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點的波形)，位置靠上的曲線為e極的波形(圖7中A點的波形)。從圖中可以看出，在所有4路三極管都關閉的時刻，輸出點B的電壓比輸入點A低24V左右，即D點電壓低于A點24V左右(三極管關斷時B、D兩點電壓相同，參見圖6)。當PNP管的導通時間比NPN管短時，圖7中通路打開前A點電壓高于D點24V左右，當PNP管導通而NPN管還沒有導通的時候，輸出回路的壓降UBD為24V，而當NPN管導通形成回路以后，要求輸出壓降下降到電池輸入兩端的電壓值，即12V，此時，輸出回路經過放電達到要求，而產生第1路導通時刻的尖峰。 由于電路是依次導通的，在上一路電路關閉時，輸出端的電勢維持在關閉前的狀態，由此不會產生過高的尖峰。而小尖峰產生則主要是由電路感抗引起的。 當輸入路數比較多的時候，在所有回路都關閉時，輸出回路處在某個未知電平。當三極管開關時間特性不同時，在導通瞬間，輸出波形中會出現尖峰，輸入回路中與PNP管相對應端的電勢越高，輸出的尖峰則越高。 下面測量實際電路的波形，首先接入6路左右的16V電池組，用示波器觀察輸出回路中UOUT與地線之間的電壓。第一路電池組導通時，輸出電平左端有尖峰出現，實際波形與分析的吻合，搭建的仿真模型有效。 改進方案及改進后電路測量數據的精度 根據仿真結果，確定電路出現問題主要有以下兩個原因： 1. 回路中感性元件的影響； 2. 三極管開關特性的影響，此為主要原因。 針對分析結果的改進方案 在本系統設計中，采取了以下改進措施： 1. 并聯電容 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電容。并聯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. 串聯限流電阻 在每對三極管和二極管中串聯限流電阻，可以保護三極管不會由于過流而擊穿。同時，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 改進后的電路 經過在回路中串聯限流電阻，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的限流電阻的阻值之間有誤差。在電路中串聯的限流電阻為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，得到的測量數據不在此詳述。 由數據可以看出，第22、23、25和26路的測量結果偏小，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證。驗證時，隨機抽取一路，輸入電壓在2.0V"20.0V之間，每隔1V測量一次數據，測量數據也不在此詳述。 通過數據可知，輸入電壓在5V以下時，測量數據是不可靠的。當輸入電壓高于5V時，測量數據與輸入電壓基本呈線性關系。由于本系統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計方法。針對電路使用中出現的問題，結合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。經過驗證，電路的一致性和線性較好，同時又具有電路簡單、器件少等優點。 |
