基于HCNR201的電壓采集隔離電路設(shè)計

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

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡單歸納為：首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，再由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(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)電池配備一個子模塊，每一個子模塊能單獨完成電池電壓、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。

    在電動汽車系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是整個電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，尤其是對于鋰電池而言，采集的精度和速度對電池的使用壽命乃至整個系統(tǒng)的安全可靠運行至關(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，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不衰減地傳輸?shù)胶蠹夒娐分?，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。由于單體鋰電池數(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，用其來斷開電池與測量電路，使得電池電壓采集系統(tǒng)不工作時不會通過測量電路漏電。除此之外，AQW214也充當(dāng)了保護(hù)電路的角色，因其開路時的漏電流極小，所以開關(guān)斷開時不會威脅到電路的準(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)計靈活的優(yōu)點。通過外接不同分立器件，方便實現(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用于伺服回授機制上，對發(fā)光LED的導(dǎo)通電流予以補償，改善輸入與輸出電路問的線性和溫度特性。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。電路實現(xiàn)信號與系統(tǒng)隔離及線性測量雙重功能，主要由HCNR201及運放構(gòu)成。工作原理：LED、PD1、Q1及運放U1等組成測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，在運放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，通過運放U2及電位器R1將IPD2轉(zhuǎn)換成輸出電壓，最終實現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的精密線性關(guān)系。補償電容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)斷時過高反壓加在LED兩端。

2．3 實驗分析
    在確定具體的參數(shù)后搭建電路，并對該電路進(jìn)行驗證。前端輸入電壓由微機電源經(jīng)可變電阻分壓后提供，電路的輸入／輸出電壓經(jīng)萬用表測量后得出相應(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Matlab繪出的實際圖形。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，“*”表示實測所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點，連線是最小二乘法對所測數(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)相對誤差的定義，即測量的絕對誤差與被測量真值之比乘以100％所得的數(shù)值，其定義式為δ=△／L×100％。其中δ為相對誤差(一般用百分?jǐn)?shù)給出)；△為絕對誤差；L為被測量真值。所以得到這組數(shù)據(jù)的相對誤差的平均值為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％，而實際隔離電路的非線性誤差為0．02％，原因主要有以下幾點：
    ①電源誤差。實驗過程中隔離前后的供電電源是由兩臺微機電源提供，微機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。實驗過程中環(huán)境因素對電路中其他器件的影響，如溫濕度對器件溫漂的影響等。
    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。
    ②更改組成隔離電路的器件。例如，可以采用精密的OP-97類型的運算放大器，能夠提供pA級的偏置電流和mV級的偏移電壓；另外，根據(jù)HCNR201的數(shù)據(jù)手冊，可以在運算放大器和光電二極管的輸入端用開爾文連接法來連接，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電路進(jìn)行驗證，用2個由24 V轉(zhuǎn)換為±15 V的DC-DC來為該隔離電路進(jìn)行供電，改變供電電源時隔離前后輸入／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)的相對誤差的平均值為0．3％，其非線性誤差改變不明顯，說明改變供電電源對電路的線性度影響不大，所以采取另外一種方法——替換電路中的運算放大器，來驗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的運放來代替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的超低噪聲精密單運放，用其替代運算放大器TL082后得到的數(shù)據(jù)如表3所列。

    經(jīng)實驗證明，用運算放大器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)成電路時非線性誤差會增大，所以該電路的線性度已經(jīng)比較理想了。

結(jié)語
    由上述實驗中的數(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。通過將供電電源由微機電源更換為DC-DC電源，以及將其他器件更換為精密器件來提高隔離電路的線性度和精度。同時，經(jīng)現(xiàn)場使用證明，本文給出的電壓測量電路能夠?qū)﹄妱悠囍械匿囯姵剡M(jìn)行安全、準(zhǔn)確的電壓采集，也充分利用了光耦繼電器AQW214的各個特點；基于線性光耦HCNR201的電壓隔離電路實現(xiàn)了高穩(wěn)定性和線性度的信號隔離，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。