多路電壓采集單元模塊仿真設(shè)計(jì)

趙慧勇，羅永革,王保華，劉珂路

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程系，湖北 十堰442002）

電源管理是電動(dòng)汽車(chē)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而電源內(nèi)部的電壓的采集和處理一直是其研究的一個(gè)重點(diǎn)。文章《車(chē)載鎳氫電池管理系統(tǒng)電壓采集方案的研究》通過(guò)查閱資料和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了電池管理系統(tǒng)的硬件框圖，并對(duì)幾種電壓測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定了采用HCNR201進(jìn)行電壓測(cè)量的有效方法。由于電池系統(tǒng)是由許多單體電池串聯(lián)組成，如果電壓采集電路直接與單片機(jī)的A/D接口相連，則導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，本文運(yùn)用光藕和三極管設(shè)計(jì)出一種適用的開(kāi)關(guān)控制電路，降低了設(shè)計(jì)的成本。［1－2］

Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologies（IIT）公司開(kāi)發(fā)的電子線路設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，后來(lái)被Ni公司收購(gòu)，成為Ni公司的NI Circuit Design Suite 10.1電路設(shè)計(jì)軟件中的電路方針軟件Multisim 10。該軟件基于spice語(yǔ)言進(jìn)行電子元器件模型設(shè)計(jì)電路仿真分析，仿真迅速、結(jié)果和實(shí)驗(yàn)相近，是電子線路設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的仿真軟件之一。［3］

1 電路設(shè)計(jì)

由于電池的大電容的特性，其電壓不會(huì)在瞬間發(fā)生巨烈變化，采樣頻率無(wú)需太高，采用集中式測(cè)量方法是較好選擇。本文集中式測(cè)量的方案是：使用74LS138譯碼器進(jìn)行控制，順序輸出控制信號(hào)，控制選擇電路導(dǎo)通。［4］為了優(yōu)化成本，除第一個(gè)選擇電路端子和最后一個(gè)電路選擇端子之外，每一個(gè)電路選擇端子及其所在的電路都是復(fù)用的，以8節(jié)電池為例，控制信號(hào)控制的選擇端子的順序?yàn)椋?，2）、（2，3）、（3，4）、（4，5）、（5，6）、（6，7）、（7，8）、（8，9），總體設(shè)計(jì)方案如圖 1所示。

圖1 多路電壓采集模塊總體方案

1.1 選擇端子電路設(shè)計(jì)

選擇端子電路是由公共信號(hào)通道、三極管和隔離光耦等組成的邏輯控制電路。部分電路如圖2所示，A、B為子控制信號(hào)線?？刂菩盘?hào)1發(fā)出時(shí)，通過(guò)子控制信號(hào)線A實(shí)現(xiàn)了光耦U1、U2開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了將端子1和端子2的電壓信號(hào)傳遞到公共信號(hào)線1、2上，實(shí)現(xiàn)了電池組電池V1的隔離取樣。依次類推，控制信號(hào)2發(fā)生時(shí)，通過(guò)控制信號(hào)線B實(shí)現(xiàn)了光耦U2、U3（圖中不可見(jiàn)）的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，將端子2和端子3（圖中不可見(jiàn)）的信號(hào)傳遞給公共信號(hào)線2、1上，實(shí)現(xiàn)了電池V2的隔離測(cè)量。依次類推，當(dāng)電壓選擇控制電路工作時(shí)，公共信號(hào)線1、2之間的電壓為正—負(fù)—正—負(fù)的矩形波。為此通過(guò)全波整流橋式電路實(shí)現(xiàn)了負(fù)值電壓的正向反向，使得輸出的電壓信號(hào)為正電壓信號(hào)。

圖2 電壓選擇端子電路

1.2 隔離采樣電路設(shè)計(jì)

電壓信號(hào)的隔離采集采用線性光藕HCNR201完成隔離采樣的設(shè)計(jì)?；贛ultsim軟件的電路設(shè)計(jì)中，為便于仿真分析輸出電壓的特性，在采樣輸出端和取樣輸出端連接示波儀或萬(wàn)用表。采樣電路與電壓選擇端子電路結(jié)合，可得到完整的多路電壓采集電路，其部分電路如圖3所示。為了便于說(shuō)明，本文將通過(guò)橋式整流電路的電壓信號(hào)成為取樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)線性光藕HCNR201轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)成為采樣信號(hào)，如圖3所示。［5］

2 仿真分析

2.1 系統(tǒng)瞬態(tài)分析

為了分析系統(tǒng)最大工作頻率，確定系統(tǒng)的適宜工作頻率范圍，采用該軟件進(jìn)行了系統(tǒng)采樣瞬態(tài)分析，分析結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出取樣電壓瞬態(tài)響應(yīng)較好，但是采樣電壓有一定的滯后，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的衰減震蕩才趨于穩(wěn)定。根據(jù)理論，系統(tǒng)穩(wěn)定周期一般為3～5 T，即3～5個(gè)震蕩周期。從圖表顯示可以看出，在500 μs時(shí)刻系統(tǒng)才基本穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的最小周期為500 μs，則控制信號(hào)的最大工作頻率為2 kHz。

2.2 溫度掃描分析

為了分析溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，確定系統(tǒng)的適宜工作頻率范圍，采用該軟件進(jìn)行了溫度掃描分析，設(shè)定溫度為（－20～60），取步長(zhǎng)為 40，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出溫度對(duì)系統(tǒng)有一定的影響，溫度在常溫20°C時(shí)，系統(tǒng)相應(yīng)很好，但是隨著溫度的增加，取樣電壓和采樣電壓響應(yīng)滯后且穩(wěn)定性降低，統(tǒng)的工作頻率降低，溫度為60°C時(shí)，穩(wěn)定的最小周期為750 μs，則控制信號(hào)的最大工作頻率為1.5 kHz。

2.3 重要元件參數(shù)掃描分析

在電路設(shè)計(jì)時(shí)候發(fā)現(xiàn)取樣電壓處的電容C3是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的元件，故對(duì)該軟件進(jìn)行了參數(shù)掃描分析，設(shè)定電容C3的掃描參數(shù)為（10－10F,10－8F,10－07F）， 則系統(tǒng)取樣信號(hào)和采樣信號(hào)響應(yīng)如圖5所示。可以看出，隨著電容數(shù)值的增加，取樣信號(hào)和采樣信號(hào)均產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)之后，特別是取樣信號(hào)出現(xiàn)了大慣性的滯后響應(yīng)。因此參數(shù)選擇為10－8F是比較理想的選擇。

圖3 部分多路電壓采樣電路

圖4 溫度掃描分析

綜合上述分析，可以看出系統(tǒng)控制信號(hào)的理論最大工作頻率不能超過(guò)1.5 kHz，考慮到其他偶然因素的影響，對(duì)系統(tǒng)的工作頻率取一定的安全系數(shù)，如果安全系數(shù)取1.5，則希望系統(tǒng)的控制信號(hào)工作頻率不超過(guò)1 kHz。

圖5 參數(shù)掃描分析

3 硬件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真分析

本文利用Ni公司的電路設(shè)計(jì)軟件Multsim10對(duì)設(shè)計(jì)的電壓選擇電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互式仿真分析，以確定該電路的工作頻率，壓降損耗。分析時(shí)定義電池組各電池 （V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7,V8）的電壓分別為（20，18，16，12，10，9，8，6）。取控制信號(hào)產(chǎn)生的頻率分別為 10 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz，示波儀Y軸取樣信號(hào)為10 V，采樣信號(hào)為5 V，觀察的采樣信號(hào)分別如圖6所示。

圖6 不同頻率下取樣—采樣輸出曲線

通過(guò)采樣曲線可知，該電路在控制信號(hào)頻率很低的時(shí)候，采樣效果很好，隨著采樣頻率的增加，采樣電路的輸出波形逐漸變差，采樣效果逐漸變差，當(dāng)控制信號(hào)頻率為1 kHz的時(shí)候，采樣曲線完全成為了一條波動(dòng)的曲線，已經(jīng)達(dá)不到準(zhǔn)確采樣的功能。

表1 不同頻率下取樣—采樣電壓輸出表

表1是在控制信號(hào)頻率不同的條件下數(shù)字仿真測(cè)得的取樣電壓—采樣電壓數(shù)值。通過(guò)比較可以知道，采樣結(jié)果一致性很好，只是在頻率較高（達(dá)到500 Hz）時(shí)，采樣電壓稍微有些變化。通過(guò)仿真分析，可以知道該電路系統(tǒng)是低速采集系統(tǒng)。

考慮到電路系統(tǒng)的元件差異、環(huán)境、溫度等影響因素，為保證采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性，控制信號(hào)的頻率最高不要超過(guò)1 kHz，推薦工作頻率不超過(guò)500 Hz。由于該電路是八路控制信號(hào)順序控制，則電路板的推薦工作頻率應(yīng)該不超過(guò)62.5（500/8）Hz。在此工作頻率下，系統(tǒng)具有優(yōu)良的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，在溫度為－20°C～60°C均具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

介紹了電池組多路電壓采集模塊的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)Multisim電路仿真軟件實(shí)現(xiàn)了電路的數(shù)字化設(shè)計(jì)與性能的仿真分析。

通過(guò)該軟件完成了電壓采集系統(tǒng)的元件參數(shù)選擇和性能分析，確定了各采樣電路的最大頻率和電路板的工作頻率，為進(jìn)一步的軟件設(shè)計(jì)提供了參數(shù)的選擇，極大的提高了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

［1］王 玲.混合動(dòng)力大巴高比功率鎳氫電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2004.

［2］趙慧勇.車(chē)載鎳氫電池管理系統(tǒng)電壓采集方案的研究［J］.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（3）：5～8.

［3］ National Instruments electronics Workbench Group，MultisimTMUser Guide［K］.2007：374483A－01.

［4］ TOSHIBA Photocoupler GaAs Ired&PhotoTransistor TLP521－1，TLP521－2，TLP521－4［E］.TOSHIBA，2002－09－25.

［5］ HCNR201 High－linearity Analog Optocouplers Technical Data［EB/OL］.［2010－05－12］.http：//www.semiconductor.agilent.com.