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[導(dǎo)讀]引言 隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及能源的日趨緊張,鋰電池的電動(dòng)汽車受到國(guó)家和民眾的廣泛關(guān)注。為確保鋰電池安全使用,電動(dòng)汽車在使用時(shí)都會(huì)配備一套電池管理系統(tǒng)。針對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)而言,又以前端數(shù)據(jù)

引言
    隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及能源的日趨緊張,鋰電池的電動(dòng)汽車受到國(guó)家和民眾的廣泛關(guān)注。為確保鋰電池安全使用,電動(dòng)汽車在使用時(shí)都會(huì)配備一套電池管理系統(tǒng)。針對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)而言,又以前端數(shù)據(jù)采集、電池均衡管理、SoC電量計(jì)量、實(shí)時(shí)通信以及電池絕緣監(jiān)測(cè)最為關(guān)鍵。其中,前端數(shù)據(jù)采集最為基礎(chǔ)。然而,在電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,需要解決的一個(gè)共性問(wèn)題就是多個(gè)電池串聯(lián)使用時(shí)高電壓、測(cè)量系統(tǒng)等問(wèn)題有可能會(huì)引起危險(xiǎn)。為了排除這些危險(xiǎn),在電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中要用到隔離電路。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),也會(huì)有各種電磁干擾信號(hào)迭加在有用的被測(cè)信號(hào)上,會(huì)使測(cè)量的準(zhǔn)確度降低。為了保證系統(tǒng)工作的安全性,并且減少環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響,往往將被測(cè)電路與測(cè)試電路進(jìn)行隔離,這就需要用到光電耦合器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為:首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù),再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令,并向外界傳遞信息。電池管理系統(tǒng)中最為重要的就是如何把數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)中。
    電池管理系統(tǒng)有集中式和分布式。分布式電池管理系統(tǒng)方案是指為每節(jié)電池配備一個(gè)子模塊,每一個(gè)子模塊能單獨(dú)完成電池電壓、溫度采集,隔離,A/D轉(zhuǎn)換以及通信等功能。分布式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


    在電動(dòng)汽車系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,尤其是對(duì)于鋰電池而言,采集的精度和速度對(duì)電池的使用壽命乃至整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。采集的數(shù)據(jù)主要包括:各電池電壓值、總電壓值、充放電電流值以及溫度信息。其中電壓采集除了有以上作用外,還涉及到電池均衡的方面,所以電壓采集是數(shù)據(jù)采集中的重中之重。圖2為單體鋰電池電壓采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中,差分電路將單體鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換成單端的電壓信號(hào),使用隔離電路是為了確保系統(tǒng)的安全性,電壓跟隨電路使得信號(hào)不衰減地傳輸?shù)胶蠹?jí)電路中,最后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換并傳送至MCU。



2 基于HCNR201的電壓采集電路
2.1 電壓采集電路
    目前有很多用于鋰電池電壓采集的方法,如電阻分壓法和鋰電池管理系統(tǒng)專用芯片法等。由于單體鋰電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)只采集單體電池的電壓,故直接將電池兩端的電壓進(jìn)行差分即可。電壓采集電路如圖3所示。AQW214為高性能和經(jīng)濟(jì)型兼?zhèn)涞陌雽?dǎo)體繼電器,用其來(lái)斷開電池與測(cè)量電路,使得電池電壓采集系統(tǒng)不工作時(shí)不會(huì)通過(guò)測(cè)量電路漏電。除此之外,AQW214也充當(dāng)了保護(hù)電路的角色,因其開路時(shí)的漏電流極小,所以開關(guān)斷開時(shí)不會(huì)威脅到電路的準(zhǔn)確性和安全性。


2.2 基于HCNR201的電壓隔離電路
    HCNR201是美國(guó)Agilent公司推出的一款高精度線性光耦,具有低成本、低非線性度(0.01%)、高穩(wěn)定度、頻帶寬(>1 MHz)、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)外接不同分立器件,方便實(shí)現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路。HCNR201由高性能發(fā)光二極管LED及具有嚴(yán)格比例關(guān)系的光電二極管PD1和PD2構(gòu)成,HCNR201原理圖如圖4所示。LED發(fā)出的光被PD1、PD2接收,其中PD2用于產(chǎn)生輸出電流;PD1用于伺服回授機(jī)制上,對(duì)發(fā)光LED的導(dǎo)通電流予以補(bǔ)償,改善輸入與輸出電路問(wèn)的線性和溫度特性。這種結(jié)構(gòu)保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。

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    電壓隔離電路如圖5所示。電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)隔離及線性測(cè)量雙重功能,主要由HCNR201及運(yùn)放構(gòu)成。工作原理:LED、PD1、Q1及運(yùn)放U1等組成測(cè)量電路的輸入部分并形成負(fù)反饋,U2、PD2等構(gòu)成電路的輸出部分;當(dāng)輸入電壓變化時(shí),在運(yùn)放U1的作用下,LED電流IF隨著調(diào)整;光耦的物理結(jié)構(gòu)決定PD1與LED成線性比例,所以流過(guò)PD1的電流IPD1跟隨著輸入電壓變化;又PD2與PD1成嚴(yán)格比例關(guān)系,同樣IPD2跟隨輸入電壓變化,通過(guò)運(yùn)放U2及電位器R1將IPD2轉(zhuǎn)換成輸出電壓,最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的精密線性關(guān)系。補(bǔ)償電容C1及C2用于改進(jìn)電路穩(wěn)定性、減小電路輸出噪聲及限制電路的工作帶寬于10 kHz左右內(nèi);二極管D1起續(xù)流作用,防止LED完全關(guān)斷時(shí)過(guò)高反壓加在LED兩端。


2.3 實(shí)驗(yàn)分析
    在確定具體的參數(shù)后搭建電路,并對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證。前端輸入電壓由微機(jī)電源經(jīng)可變電阻分壓后提供,電路的輸入/輸出電壓經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)量后得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。隔離前后輸入/輸出電壓的比較如表1所列。


    由表1中的數(shù)據(jù)可以得到通過(guò)Matlab繪出的實(shí)際圖形。輸入/輸出電壓及其最小二乘擬合直線如圖6所示。其中“口”表示理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)點(diǎn),“*”表示實(shí)測(cè)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn),連線是最小二乘法對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的擬合直線,該擬合直線的方程為y=0.9969x+0.0091,其最佳斜率為0.9969。[!--empirenews.page--]
    根據(jù)相對(duì)誤差的定義,即測(cè)量的絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比乘以100%所得的數(shù)值,其定義式為δ=△/L×100%。其中δ為相對(duì)誤差(一般用百分?jǐn)?shù)給出);△為絕對(duì)誤差;L為被測(cè)量真值。所以得到這組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差的平均值為0.5%。
    按照定義,擬合直線的線性度(即非線性誤差)為測(cè)量曲線與擬合直線的最大偏差和滿量程輸出的百分比,由Matlab可以得到該電路的非線性誤差為0.02%。
    線性光耦HCNR201的理想非線性誤差為0.01%,而實(shí)際隔離電路的非線性誤差為0.02%,原因主要有以下幾點(diǎn):
    ①電源誤差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隔離前后的供電電源是由兩臺(tái)微機(jī)電源提供,微機(jī)電源本身提供的電壓±15 V是存在偏差的。
    ②其他器件誤差。組成該隔離電路的器件的非線性度、穩(wěn)定性以及精確度也影響了電路的線性度。
    ③環(huán)境影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境因素對(duì)電路中其他器件的影響,如溫濕度對(duì)器件溫漂的影響等。
    根據(jù)上述原因,改善的措施有:
    ①供電電源由DC-DC電源模塊來(lái)提供,DC-DC具有電源效率高、發(fā)熱量小、輸出電壓穩(wěn)定和紋波小等特點(diǎn)。
    ②更改組成隔離電路的器件。例如,可以采用精密的OP-97類型的運(yùn)算放大器,能夠提供pA級(jí)的偏置電流和mV級(jí)的偏移電壓;另外,根據(jù)HCNR201的數(shù)據(jù)手冊(cè),可以在運(yùn)算放大器和光電二極管的輸入端用開爾文連接法來(lái)連接,以確保電路的精確度。

3 方案改進(jìn)
3.1 改變供電電源
    下面改變電路的供電電源對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證,用2個(gè)由24 V轉(zhuǎn)換為±15 V的DC-DC來(lái)為該隔離電路進(jìn)行供電,改變供電電源時(shí)隔離前后輸入/輸出電壓的比較如表2所列。


    從表2中可以看出,通過(guò)使用DC-DC為電路供電后,輸入電壓和輸出電壓之間的誤差已經(jīng)大大減小。經(jīng)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差的平均值為0.3%,其非線性誤差改變不明顯,說(shuō)明改變供電電源對(duì)電路的線性度影響不大,所以采取另外一種方法——替換電路中的運(yùn)算放大器,來(lái)驗(yàn)證電路的線性度能不能大幅提升。
3.2 更換器件
    考慮到改變DC-DC仍然不能大大縮短隔離電路的非線性誤差和器件線性度的距離,采用OP27的運(yùn)放來(lái)代替TL082,OP27是具有低噪聲、低漂移、高速、高開環(huán)增益和高性能等特點(diǎn)的超低噪聲精密單運(yùn)放,用其替代運(yùn)算放大器TL082后得到的數(shù)據(jù)如表3所列。


    經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,用運(yùn)算放大器OP27替換電路中的TL082使得輸入電壓和輸出電壓之間的誤差大大減小,利用這組數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab可以進(jìn)行直線擬合,并能夠得到擬合直線的斜率、截距以及線性度(即非線性誤差)等。其中,該擬合直線的斜率為0.9997,截距為0.00041,其非線性誤差為0.015%。由表3可知電路的誤差已經(jīng)非常小,并且考慮到若干元件構(gòu)成電路時(shí)非線性誤差會(huì)增大,所以該電路的線性度已經(jīng)比較理想了。

結(jié)語(yǔ)
    由上述實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)及圖形可以得出,由HCNR201及其外圍器件組成的隔離電路由于受到供電電源誤差、其他器件誤差以及環(huán)境岡素的影響而導(dǎo)致電路線性度不理想的情況可以改善。通過(guò)將供電電源由微機(jī)電源更換為DC-DC電源,以及將其他器件更換為精密器件來(lái)提高隔離電路的線性度和精度。同時(shí),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證明,本文給出的電壓測(cè)量電路能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車中的鋰電池進(jìn)行安全、準(zhǔn)確的電壓采集,也充分利用了光耦繼電器AQW214的各個(gè)特點(diǎn);基于線性光耦HCNR201的電壓隔離電路實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性和線性度的信號(hào)隔離,因此,該電路也可廣泛地應(yīng)用在各數(shù)據(jù)采集的輸入/輸出電路中。

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