串聯(lián)電池組的母線式電壓采集系統(tǒng)優(yōu)化設計

馬曉軍,可榮碩,魏曙光,項宇,曾慶含

(裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072）

串聯(lián)電池組的母線式電壓采集系統(tǒng)優(yōu)化設計

馬曉軍,可榮碩,魏曙光,項宇,曾慶含

(裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072）

動力電池組、燃料電池等通常采用多路串聯(lián)式供電結構,單體電壓參數(shù)為反映電池性能的重要指標。設計了一種母線式電壓采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用光控繼電器把電池單體加載到測量母線,通過移位寄存器74HC164邏輯控制實現(xiàn)電池單體電壓巡檢,經(jīng)過一套信號調理、隔離電路處理,使整體測量一致性提高,相比于采用譯碼器的邏輯電路,從元件數(shù)量和控制程序上都得到優(yōu)化。集成PIC18F2580最小系統(tǒng)及CAN總線接口,實現(xiàn)模塊化及可擴展性。實驗結果表明:該采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足測量精度要求,并成功應用于3 kW和10 kW燃料電池系統(tǒng)。

電氣工程;動力電池組;燃料電池;測量母線;電壓采集;動態(tài)加載

0 引言

串聯(lián)式電源系統(tǒng)的典型代表有動力電池組和燃料電池組,具有單體電池電壓低、負載電流大的特點。單體電池的一致性制約整個電池組的綜合性能,同時也是影響動力電池組壽命的重要因素[1]。燃料電池工作過程通常帶有風機等高頻信號源,需對測量系統(tǒng)的電源及采集電路進行隔離,而燃料電池堆單體之間排列緊湊,故電壓采集系統(tǒng)受安裝結構和體積限制[2],需考慮小型化和整體化設計。同時單體電壓一致性也是燃料電池組濕度控制的重要參考因素[3],燃料電池在額定負載下正常工作時,單體電壓差值僅有幾十毫伏級,采集電路本身差異及傳輸線路帶來的誤差也會影響測量精度,故需對每一個單體電池電壓進行精確測量,實現(xiàn)均衡控制。

李樹靖等[4]采用一種由集成運算放大器和模擬電子開關組成的直接測量法,其在電池節(jié)數(shù)多時采集電壓很高,安全性差且會造成較大誤差; Yang等[5]采用電阻分壓法,具有電阻的漂移誤差和電阻上的漏電流會導致測量精度降低的缺點;衛(wèi)東等[6]采用多路差分電壓測量電路,對電池單體電壓進行獨立測量,有效抑制了共模信號;張彩萍等[7]提出了一種壓控恒流源式測量電路方法,提高了測量傳輸精度。上述方法都采用多個測量電路,存在著電阻參數(shù)匹配問題,使系統(tǒng)誤差增加,影響整體一致性。Burns[8]采用繼電器陣選擇測量法,該方法的開關控制復雜,開關具有一定的導通阻值,影響電壓測量的精度;楊虎等[9]、吳騫等[10]設計了利用74HC138譯碼器實現(xiàn)多路電壓循環(huán)采集的方法,經(jīng)過一套信號調理電路處理,簡化了電壓采集電路,避免了因測量系統(tǒng)固件差異帶來的測量誤差。但該方法當電池單體數(shù)較多時,需增加一級譯碼器對每組譯碼器進行選擇,增加了元件和控制信號數(shù)量及控制邏輯,可靠性降低。

1 方案設計

文中提出了電壓采集電路采用“測量母線”的概念,利用光控繼電器把電池單體加載到測量母線上,通過對移位寄存器74HC164邏輯控制,實現(xiàn)電池單體的動態(tài)加載,利用一套信號調理電路對母線上的電壓進行采集,其結構如圖1所示。

該系統(tǒng)由動態(tài)加載電路、信號處理電路、光耦隔離電路、單片機以及供電電源組成。采用模塊式系統(tǒng)設計,集成CAN總線接口,便于采集系統(tǒng)的擴展。如圖2所示,該采集電路貼附在燃料電池堆表面,減少了傳輸線路壓降誤差,采集系統(tǒng)可獨立運行,通過總線與上位機進行通信,進行顯示監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析,也可與燃料電池、能量管理控制系統(tǒng)等綜合控制器進行信息交互。根據(jù)電池組的單體數(shù)量需求,可使多路采集子系統(tǒng)同時運行,相鄰兩套采集系統(tǒng)之間通過5針端子(包含2條電源線、2條總線和1個電池節(jié)點)連接。

圖1 母線式電壓采集系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of bus-type voltage acquisition system

圖2 電壓采集系統(tǒng)擴展結構圖Fig.2 Extensional structure of voltage acquisition system

1.1 電池單體動態(tài)加載電路設計

動態(tài)加載電路方案如圖3所示。

T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8為電池節(jié)點,Line1、Line2為電壓測量母線,經(jīng)過一套信號調理電路對加載在母線上的電池單體進行采集。采用NAiS公司AQW214雙路光控繼電器,通過邏輯控制把待測電池單體依次加載到測量母線上。當測量第1路電池單體時,T1接入Line1,T2接入Line2,此時電池電壓為U12;測量第2路電池單體時,T2接入Line2,T3接入Line1,此時電池電壓為-U12;依次可得出第n路單體電壓表達式為

74HC164為8位移位寄存器,每次時鐘脈沖CLK觸發(fā),輸出端口QA～QH電壓信號依次向后移一位?？刂贫薃的控制信號BIT1決定下一時鐘脈沖后移入的QA電平信號,第1片移位寄存器的QH端與下一片移位寄存器的控制端A相連。每一次電壓測量時,只有2個電池節(jié)點接入測量母線,其余處于斷開狀態(tài)。采用8位二進制數(shù)表示,當?shù)?路電池加載到測量母線時,控制信號為11000000,第2路控制信號為01100000,依次類推,當進行到第8路時,第1片的控制信號為00000001,第2片的控制信號為1000000,實現(xiàn)了電池單體的移位加載方式。

圖3 電池動態(tài)加載電路圖Fig.3 Dynamic loading circuit diagram of cells

在這種控制方式下,電池單體的加載是按照邏輯時序執(zhí)行的,不受軟件程序的控制及保護。為避免一條母線上同時接入2個電池節(jié)點而造成電池間短路情況,設計硬件保護電路如圖4所示。

CLR1、BIT1、CLK分別為復位信號、邏輯輸入信號和時鐘信號,是單片機輸出控制信號;1QA、1QB為串聯(lián)電池的前2個節(jié)點;U1、U5為雙輸入與門;U3、U4為雙輸入與非門;U2為D觸發(fā)器;U6為第1個移位寄存器。保護電路實現(xiàn)閉鎖和復位功能原理如下:

1)閉鎖。當CLK信號前2位1QA、1QB都為高時,U2閉鎖,經(jīng)過U4反向,U6控制端A由高變?yōu)榈?此時無論輸入邏輯信號BIT1為何值,U6在下一時鐘移入值始終為低,即始終只有2個電池節(jié)點接入測量母線,實現(xiàn)閉鎖功能。直到復位信號CLR1觸發(fā)后,U2恢復,U6控制端A恢復為高電平。

圖4 保護電路Fig.4 Protection circuit

2)復位。當前2個節(jié)點接入測量母線以后,觸發(fā)器U2輸出D為高,如果誤操作或干擾信號導致1QA為高,會出現(xiàn)一條母線上投入2個節(jié)點的短路情況,這時U3輸出的復位信號CLR2由高變?yōu)榈?對所有移位寄存器復位,切斷母線上所有節(jié)點,達到短路保護作用。

需注意:在移位寄存器移位選擇過程中,第N個節(jié)點的關斷和第N+2個節(jié)點開通之間需要有死區(qū),否則將會出現(xiàn)同一條測量母線上同時接入2個節(jié)點的短路情況。根據(jù)AQW214技術文檔得到繼電器開通過程時間Ton大于關斷過程時間Toff一個數(shù)量級,理論上不存在硬件邏輯短路情況,這一點在3.1節(jié)實驗中進行分析。

文獻[9-10]的電壓采集方式也是典型的測量母線式結構,3種電路結構方案對比,如表1所示。表1中:一級代表直接控制光控繼電器的譯碼器,二級代表對一級譯碼器進行片選的譯碼器。

表1 3種動態(tài)加載電路方案比較Tab.1 Comparison of three dynamic loading circuit schemes

由表1可看出,文獻[9]方案中每一個電池單體需2個投切開關,光電繼電器個數(shù)為單體數(shù)的2倍,其他2種方案的開關數(shù)量與測量節(jié)點數(shù)相等,因此光電繼電器數(shù)量減小1/2.文獻[9-10]方案中邏輯芯片為74HC138譯碼器,本文方案為74HC164.每個邏輯芯片都有8路邏輯選擇輸出。文獻[9-10]方案表中k1、k2為單體數(shù)不能被整除時,需增加的邏輯芯片數(shù)量:

表1中,文獻[9-10]方案在編寫程序時要對譯碼器邏輯進行判斷,且文獻[10]方案需利用2組譯碼器對2條測量母線上的電池節(jié)點加載過程分別控制,控制信號較多,程序設計較復雜,需設計保護電路。本文設計方案只需對移位寄存器開始2個周期內邏輯信號進行配置,之后通過觸發(fā)時鐘信號便可以實現(xiàn)電池單體的切換,不需考慮切換時序的問題。

可看出,本文采用的方案從芯片數(shù)量及控制信號數(shù)量上優(yōu)于其他2種方式,同時當串聯(lián)電池數(shù)量增加時,本文采用的電路方案只需相應增加移位寄存器的數(shù)量,對控制信號線數(shù)量及檢測電路沒有影響,操作代碼簡單可靠,便于維護和擴展。

1.2 信號處理及隔離電路設計

信號處理及隔離電路如圖5所示。采用差分式放大電路對母線上的單體電壓進行測量,電路參數(shù)為

圖5 信號處理及隔離電路Fig.5 Signal processing and isolation circuit

由于母線電壓為正、負交替,A/D測量芯片無法對負電壓進行轉換,因此需要對測量母線輸入電壓進行處理,圖5中在電阻R4前端加基準電壓Uref,由TL432基準電壓芯片提供,提升后的測量電壓

隔離電路采用高精度模擬線性HCNR201,線性度可達0.01%,工作在光電壓模式,具有12位轉換精度及40 kHz帶寬頻率,滿足實際測量需求。

針對不同單體電壓等級的電池,電路參數(shù)選取如表2所示,其中Ucc為控制器側電源電壓值。

表2 3種電池測量參數(shù)選擇Tab.2 Parameters configuration of three batteries

CPU選用PIC系列單片機PIC18F2580.40路管腳,片內含8路10位精度A/D及CAN總線接口。選擇PCA82C250CAN總線發(fā)收器,具有高抗干擾能力和總線保護能力,最高可達1 Mbit/s傳輸速率。電壓數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳到系統(tǒng)控制器,進行顯示及相應控制。

2 程序設計流程

單片機小系統(tǒng)片內A/D對電壓采集并處理的程序編寫在定時器中斷服務程序內,程序流程如圖6所示。

圖6 定時器中斷程序流程圖Fig.6 Timer interrupt program flow chart

為避免母線電壓交替變化過程中,測量母線瞬態(tài)電壓的不確定性造成的測量誤差,A/D轉換采取5次測量,取后4次測量值的平均值。完成一次電壓循環(huán)掃描的時間

式中:TAD為單次電壓采樣周期;nAD為采樣次數(shù); nb為電池單體串聯(lián)個數(shù)。

CAN總線一次傳輸標準幀數(shù)據(jù)部分為8 byte,程序中每4路電壓數(shù)據(jù)為一組進行上傳。完成一次循環(huán)之后復位移位寄存器,使測量母線懸空。A/D轉換在定時器中斷程序結束前啟動,保證測量間隔,避免在中斷程序內出現(xiàn)A/D轉換等待的情況。

3 實驗分析

3.1 測量母線電壓死區(qū)分析

驗證單體電池加載過程中無短路現(xiàn)象,在測量母線加500 mV電壓,相鄰測量節(jié)點之間并聯(lián)300 Ω電阻,實驗結果如圖7所示。

圖7 電壓測量母線上加載死區(qū)波形Fig.7 Dead-zone waveform on measurement bus

圖7中,下降沿曲線為第n和n+1個節(jié)點之間電壓波形,上升沿曲線為第n+1和n+2個節(jié)點之間電壓波形,可以看出切換過程中存在母線電壓死區(qū)。對46路采集系統(tǒng)進行切換死區(qū)時間測量,平均時間間隔52 μs,最大120 μs,最小36 μs,單體加載切換瞬間不存在短路現(xiàn)象。

3.2 電壓采集實驗分析

該測量電路應用于46片3 kW質子交換膜燃料電池組。燃料電池單體電壓正常工作范圍通常在0.50～1.20 V之間。電路中,k3取2,k4取1,經(jīng)過信號處理及隔離電路后,母線電壓放大1倍,測量精度提高1位,輸出電壓范圍為0～4.80 V.

如圖8所示,一個循環(huán)周期內輸入單片機A/D采樣的Um電壓波形。單次電壓采樣周期3.2 ms,遠大于電池單體加載切換時間,同時單片機中A/D采集最小周期10 μs,滿足測量需求。根據(jù)(3)式得到完成一次所有單體電壓循環(huán)掃描的周期760 ms.

圖8中,160 ms起開始進入電池單體移位加載過程中,電壓呈高、低壓交替變化。900 ms時進入第47個移位周期,測量電壓母線沒有加載電池單體,Um為懸空狀態(tài),這個周期內進行數(shù)據(jù)處理及與燃料電池控制器之間的通信,920 ms后,完成一次循環(huán)掃描周期。

圖8 動態(tài)加載過程電壓信號波形Fig.8 Voltage signal in dynamic loading process

電池單體電壓在一個循環(huán)周期內,所有電池單體電壓數(shù)據(jù)測量結果如圖9所示。

圖9 電池單體電壓檢測結果Fig.9 Voltage measured results of cells

燃料電池負載1 kW,工作電流20 A.由于操作過程中,實際值與測量值存在一定的時間差,實際值選取單體電壓平均值,因此圖中測量值與實際值存在一定差異。圖9中可看出,測量電壓與實際電壓趨勢基本吻合,單體電壓誤差范圍在(-5 mV, 5 mV)之間,滿足燃料電池誤差在10 mV之內的精度及掃描時間要求。

4 結論

本文設計了采用母線式測量方式的電壓采集系統(tǒng),避免了信號處理電路元件自身差異帶來的誤差,提高整體測量一致性。移位加載檢測方法優(yōu)化了電壓采集電路,使光電繼電器數(shù)量減少1/2,軟件程序流程簡單、可靠。CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸,便于串聯(lián)電池系統(tǒng)的擴展,實現(xiàn)了電壓采集電路的小型化及模塊化。該電壓采集系統(tǒng)已應用于46片3 kW及120片10 kW燃料電池單膜電壓采集系統(tǒng)中。

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Optimal Design of Bus-type Voltage Acquisition System

MA Xiao-jun,KE Rong-shuo,WEI Shu-guang,XIANG Yu,ZENG Qing-han
(Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

Power supply system,such as power battery pack and fuel cell,normally uses a series-type power supply structure,and the voltage parameter of battery is an important performance index of the battery.A bus-type voltage acquisition system is designed.In the system,the photoelectric relay is adopted to load a battery on the measurement bus,and the voltage monitoring is implemented by means of the logic control of shift register 74HC164.Thus the consistency of the overall measurement is improved through single signal processing and isolation circuit.The number of components is reduced,and the circuit structure and control procedure are optimized compared to logic circuit with decoder.The modularization and scalability of the measurement system are achieved by PIC18F2580 minimum system and CAN bus interface.The experimental result shows that the system has stable performance and meets the requirement of measuring accuracy,which has been used for the voltage monitoring of 3 kW and 10 kW fuel cells.

electrical engineering;power battery pack;fuel cell;measurement bus;voltage acquisition;dynamic loading

TM912.2

:A

1000-1093(2014)05-0577-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.001

2013-08-19

武器裝備預先研究項目(2011YY25)

馬曉軍(1963—),男,教授,博士生導師。E-mail:maxiaojun_zgy@163.com;可榮碩(1985—),男,博士研究生。E-mail:daxiaoke1985@163.com