基于HCNR201的電壓采集隔離電路設(shè)計(jì)

尤文艷，金鵬，肖力

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

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。

圖1 分布式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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。

圖2 單體鋰電池電壓采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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。

圖3 電壓采集電路

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（＞1MHz）、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。通過外接不同分立器件，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間的線性和溫度特性。這種結(jié)構(gòu)保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。

圖4 HCNR201原理圖

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(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10kHz左右內(nèi)；二極管D1起續(xù)流作用，防止LED完全關(guān)斷時(shí)過高反壓加在LED兩端。

圖5 電壓隔離電路

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“□”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。

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±15V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)。

表1 隔離前后輸入／輸出電壓的比較

圖6 輸入／輸出電壓及其最小二乘擬合直線

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24V轉(zhuǎn)換為±15V的DC－DC來為該隔離電路進(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。

表2 改變供電電源時(shí)隔離前后輸入／輸出電壓的比較

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(duì)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(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0.999 7，截距為0.000 41，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。

表3 更換器件后隔離前后輸入／輸出電壓的比較

結(jié) 語

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)境因素的影響而導(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(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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