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，同時對測量精度影響不大,。
針對電路在軟件仿真和實際應(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動力源,。為保證電動車的正常和安全行駛，電池管理系統(tǒng)必須實時監(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)必須對每個單體或幾個單體電壓進行精確測量。如果采用傳統(tǒng)的多路電壓采集方法,，當電池單體數(shù)目較多時,，整個管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)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(shè)計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,，電池使用時串聯(lián)，蓄電池端電壓將達到200V以上,。
本文提出了如圖1所示的設(shè)計思路,。設(shè)計通過移位開關(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)計方法具有以下優(yōu)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(shù)不均勻而引起的一致性較差的問題。
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
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)電池模塊進行實時的電壓,、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,。
圖2 部分電壓信號調(diào)理電路
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,，每兩個相鄰輸入端點之間為一個電池模塊(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,，當控制信號為'0'時,，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),，此時電壓信號輸出至ADC的通道關(guān)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(chǎn)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(shù)據(jù),，可得電路發(fā)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(tài)。電壓信號輸出至ADC的通道開通,，實現(xiàn)模塊電壓數(shù)據(jù)的選通,。
在本設(shè)計中，共有26路通道,，通過26路信號控制，實現(xiàn)采集信號傳輸?shù)倪x擇,。本設(shè)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(tài)，每當一路導通時,，其他回路處于關(guān)閉狀態(tài),，實現(xiàn)電路的開/關(guān)控制。
電壓信號從UOUT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，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(chǎn)生的原因,，然后分析整體電路連續(xù)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(chǎn)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(fā)生變化時，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(chǎn)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(tài)，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(tài)，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(chǎn)生尖峰,。在兩個三極管關(guān)閉的時候亦然。
圖4 導通電路
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(guān)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(guān)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(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(guān)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(guān)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(jīng)過放電達到要求,，而產(chǎn)生第1路導通時刻的尖峰,。
圖6 第1路PNP三極管兩端的波形
圖7 第1路仿真模型
由于電路是依次導通的，在上一路電路關(guān)閉時,，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,。
當輸入路數(shù)比較多的時候,，在所有回路都關(guān)閉時，輸出回路處在某個未知電平,。當三極管開關(guān)時間特性不同時,，在導通瞬間，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(xiàn),，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(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)果的改進方案
在本系統(tǒng)設(shè)計中，采取了以下改進措施：
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,。
改進后的電路
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(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，測量數(shù)據(jù)是不可靠的,。當輸入電壓高于5V時,，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(yōu)點。