電池管理系統(tǒng)多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

魏海波，梅建偉，簡(jiǎn)煒

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

鋰聚合物動(dòng)力電池組是電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源，電池組剩余容量是衡量電動(dòng)汽車剩余里程數(shù)的重要參數(shù)。常見的剩余容量評(píng)估主要是結(jié)合電荷累積法和開路電壓法，通過(guò)兩者的優(yōu)缺互補(bǔ)共同實(shí)現(xiàn)SOC的準(zhǔn)確評(píng)估。電荷累積法是利用檢測(cè)到的實(shí)時(shí)電流累計(jì)釋放或回收的電荷，開路電壓法則是通過(guò)EMF-SOC 曲線通過(guò)對(duì)當(dāng)前電池電壓的檢測(cè)校正SOC數(shù)據(jù)[1-2]。不管是電荷累積法或是開路電壓法，都離不開電壓、電流的檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性就成為影響SOC精確估量的關(guān)鍵因素。

1 數(shù)據(jù)采集總體方案設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。圖1中左側(cè)是電池組檢測(cè)的相關(guān)模擬量數(shù)據(jù)，包括12路單體電壓數(shù)據(jù)、充放電2 路電流數(shù)據(jù)、電池組工作溫度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的物理量可能是電壓、電流、電阻，考慮到A/D轉(zhuǎn)換只能以電壓的形式實(shí)現(xiàn)模擬量的獲取，因此相應(yīng)的設(shè)計(jì)了信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)不同類型信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換；考慮到A/D轉(zhuǎn)化模擬量量程的需求，設(shè)計(jì)了不同的信號(hào)放大電路；為了防止超量程的模擬量對(duì)A/D器件造成的影響，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的保護(hù)電路；為了防止干擾信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，設(shè)計(jì)了濾波電路。16路電壓模擬量產(chǎn)生后，A/D器件在MCU的控制下逐次對(duì)16個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電池管理系統(tǒng)的SOC評(píng)估及其它管理工作。

圖1 多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路整體設(shè)計(jì)方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力電池電壓信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組是由眾多單體電池串聯(lián)而成。本設(shè)計(jì)中，選取12個(gè)單體電池串聯(lián)而成的動(dòng)力電池組，相應(yīng)的就有12個(gè)電壓模擬量信號(hào)。圖2所示為電壓采集電路設(shè)計(jì)。

圖2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組中，各個(gè)動(dòng)力電池串聯(lián)而成。在地參考點(diǎn)的作用下，各個(gè)電池正負(fù)極對(duì)地參考電壓近似比例增大，為實(shí)現(xiàn)輸出的是電池電壓，必須通過(guò)減法電路實(shí)現(xiàn)：

式中：x是動(dòng)力電池組中的任意電池編號(hào)。

最有效的實(shí)現(xiàn)途徑是借助由運(yùn)算放大器“虛短”與“虛斷”原理構(gòu)成的減法電路[3]。圖2中，由雙運(yùn)放運(yùn)算放大器LM358構(gòu)建2級(jí)網(wǎng)絡(luò)：第1級(jí)即為由R1～R4組建的差分放大電路形成減法電路，第2級(jí)構(gòu)成電壓跟隨器，起到緩沖及隔離的作用。LM358 使用單5V 電源供電，考慮到電源對(duì)運(yùn)放的限制，因此R1～R4構(gòu)成的差分放大電路必須滿足：Vin+≤+5V,Vin-≤+5V,即運(yùn)放的同相輸入端以及反向輸入端都必須低于運(yùn)放的電源電壓。

2.2 動(dòng)力電池雙向電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電池組在充放電過(guò)程中，由于只有一個(gè)充放電通道，理論上而言電流檢測(cè)通道只有一個(gè)。根據(jù)電路理論電流在其參考方向下存在正負(fù)之分，因此必須單獨(dú)設(shè)計(jì)充電電流、放電電流各自的檢測(cè)信號(hào)。圖3所示為集成的雙向電流檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)。

圖3 雙向電流采集電路設(shè)計(jì)

從電路中可以看出，該電路的設(shè)計(jì)非常類似于電氣中的互鎖電路[4-5]。從采樣電阻中采集的電阻兩端電壓在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)下，產(chǎn)生不同的電壓。結(jié)合運(yùn)放的差分放大功能，分別引入LM358 運(yùn)算放大器的2組不同的運(yùn)放輸入端，由于引入同相輸入端和反相輸入端的電壓不同，使得2組運(yùn)放各自工作在線性工作區(qū)與非線性工作區(qū)中。當(dāng)電池組中有任意方向的電流時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生一組運(yùn)放工作在線性放大區(qū)域產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬電壓

信號(hào)同時(shí)另外一組運(yùn)放工作在非線性區(qū)域而作為電子開關(guān)輸出供電電源的參考地電壓。在實(shí)際的電動(dòng)汽車中，通常選用100AH的動(dòng)力電池組為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力源，這樣，采樣電阻的選擇就有了依據(jù)[6]。本設(shè)計(jì)中，選用0.05R/2W的采樣電阻多個(gè)并聯(lián)成0.01R的功率電阻作為充放電電流檢測(cè)元件。通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)匹配，最終可以獲得的充放電電流模擬電壓信號(hào)為

2.3 動(dòng)力電池組溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)保證電池組工作在可靠溫度范圍內(nèi)而不引起電池故障，是電池管理系統(tǒng)中必不可少的有效組成部分。圖4所示為電池管理系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)。

圖4 溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)傳感器選用PT100系列溫度傳感器。最新制造工藝出產(chǎn)的PT100 體積小，精度高，比較適合應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)溫度檢測(cè)單元中。本設(shè)計(jì)中，選用三線式橋式測(cè)溫電路，其最大優(yōu)點(diǎn)在于將地線單獨(dú)引出，參考電阻網(wǎng)絡(luò)的地線電阻可以與PT100的地線電阻匹配，減小電阻差異帶來(lái)的偏差問(wèn)題，提高溫度測(cè)量精度。其設(shè)計(jì)原理同3.1中的電壓采集電路基本相同。通過(guò)差分放大電路中的電阻匹配，實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換模擬電壓為

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AD 轉(zhuǎn)換芯片的分辨率決定了轉(zhuǎn)換后的電壓精度，根據(jù)電池管理系統(tǒng)對(duì)精度的要求，選用TI公司ADS7953SBDBT。ADS7953是TI 公司制造的12位、16 通道的串行AD 轉(zhuǎn)換芯片。以1 MHz的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其串行傳輸速率可以高達(dá)20 MHz。另外配備的4個(gè)GPIO可以作為通用I/O進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)合的應(yīng)用。A/D 轉(zhuǎn)換硬件電路如圖5所示。

圖5 ADS7953SBDBT模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于ADS7953 芯片具有模擬地與數(shù)字地，為防止不同地線之間的干擾，在模擬地與數(shù)字地之間串聯(lián)一個(gè)磁珠。

3 調(diào)試數(shù)據(jù)與分析

設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)該套電池管理系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了制版調(diào)試。在解決了焊接遺留的硬件問(wèn)題后，通過(guò)MCU的監(jiān)測(cè)獲取了大量數(shù)據(jù)。表1列出調(diào)試過(guò)程中某一時(shí)刻點(diǎn)的狀態(tài)量。

表1 電壓、電流、溫度測(cè)量數(shù)據(jù)與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是電壓、電流、還是溫度，其相對(duì)誤差都控制在1%以內(nèi)，特別是電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)，精度更是達(dá)到了3‰，這樣的誤差在電池管理系統(tǒng)誤差允許范圍之內(nèi)，達(dá)到了電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端模塊硬件電路設(shè)計(jì)的目的。

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)了硬件檢測(cè)電路，配合性能優(yōu)良的A/D轉(zhuǎn)換器，在簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中同時(shí)滿足了電池管理系統(tǒng)對(duì)電壓、電流、溫度等各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的要求。從實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)分析可以看出，該電池管理系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)與MCU中檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的模擬量數(shù)據(jù)誤差小，不超過(guò)1%。結(jié)果表明：該電池管理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)合理、精度高、穩(wěn)定性好，達(dá)到電池管理系統(tǒng)后續(xù)SOC 評(píng)估的預(yù)期效果。本設(shè)計(jì)中的硬件電路模塊可以在較小調(diào)整下應(yīng)用到其它測(cè)控系統(tǒng)電路中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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