電池管理系統(tǒng)電壓采樣電路的設(shè)計(jì)與研究

倪紅軍　陳祥　朱建新　呂帥帥　儲(chǔ)愛(ài)華

摘 要： 動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力汽車的全部或部分動(dòng)力源，對(duì)動(dòng)力電池單體電壓的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控具有重要意義。設(shè)計(jì)一種電池管理系統(tǒng)（BMS）電壓采樣電路，分析電壓采樣原理，通過(guò)電池箱模擬單體電池電壓，編寫軟件控制單個(gè)模塊電壓采樣，比較不同電壓下的電壓采樣精度。測(cè)試結(jié)果表明，電壓采樣精度較高，滿足電壓采樣設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車； 電池管理系統(tǒng)； 單體電壓； 電壓采樣

中圖分類號(hào)： TN710.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0158?03

Abstract： As the power battery is taken as the whole or partial power source of the hybrid electric vehicle （HEV）， real?time acquirement and monitoring of the single?cell voltage have great significance. A voltage sampling circuit of battery management system （BMS） was designed. The voltage sampling principle is analyzed. The battery box is used to simulate the single?cell voltage. The program is compiled to control the voltage sampling of the single module. The voltage sampling accuracy is compared at different voltages. The test results show that the voltage sampling accuracy of the circuit is high， and the circuit can meet the design requirements of voltage sampling.

Keywords： hybrid power automobile； battery management system； single?cell voltage； voltage sampling

動(dòng)力電池是混合動(dòng)力汽車上不可或缺的動(dòng)力源，動(dòng)力電池主要用于汽車制動(dòng)能量的回收與利用，以提高混合動(dòng)力汽車工作時(shí)的能量效率，降低污染等。作為整車的部分或全部動(dòng)力源，電池包需要較高的電壓及容量，現(xiàn)階段的動(dòng)力電池包主要由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，單體電池的工作性能與整車的動(dòng)力性及安全性息息相關(guān)，電池的電壓直接體現(xiàn)著電池的狀態(tài)，且關(guān)系到SOC，SOH等估算，所以對(duì)動(dòng)力電池單體模塊電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)以防止動(dòng)力電池出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放，對(duì)提高動(dòng)力電池的使用壽命及安全性具有重要意義。目前，單體電壓的測(cè)量主要有電阻分壓法和繼電器切換法[1]，但電阻分壓法測(cè)量誤差較大，因此選擇較為復(fù)雜的繼電器切換法。通過(guò)光控MOS繼電器開(kāi)通與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)上述電路測(cè)量，其中電壓采樣的時(shí)序控制主要由飛思卡爾單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)該芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換。

1 動(dòng)力電池單體電壓采樣電路設(shè)計(jì)

1.1 電壓采樣硬件原理圖設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車在行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池會(huì)不斷地進(jìn)行充放電，其單體電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化，若不監(jiān)控其電壓，嚴(yán)重過(guò)充甚至?xí)a(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)，威脅汽車及人身安全[2?3]。因此，為了防止動(dòng)力電池的過(guò)充過(guò)放，需要對(duì)電池單體電壓進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)，一個(gè)高精度的電壓模塊是電池管理系統(tǒng)可靠性重要的指標(biāo)之一，這對(duì)于電池的使用壽命，防止電池發(fā)生危險(xiǎn)起到關(guān)鍵作用[4]。

圖1所示電路中，R1～Rn為限流電阻，與飛渡電容C2構(gòu)成充電回路，以限制充電電流，電容C1與電阻R_1構(gòu)成濾波電路，以濾除高頻信號(hào)，電阻R_2，R_3為限流電阻，主要用于保護(hù)MOS管（圖1中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)），R_4，R_5為放大器輸入電阻，與R_6，R_7構(gòu)成放大比例系數(shù)，電容C3，C6主要作用為濾波，接地電容C4，C5，C7主要用于抗干擾和電位隔離，鉗位二極管U1主要用于保護(hù)放大器電路的工作安全，以防止放大器被燒毀。整個(gè)電路主要通過(guò)控制前置調(diào)理電路和后置調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)采樣期間只有被測(cè)電池模塊被選通，并通過(guò)差動(dòng)放大電路輪流對(duì)各電池模塊電壓進(jìn)行采樣以完成巡回檢測(cè)。

該電壓采樣電路由單體電池選擇開(kāi)關(guān)、飛渡電容、奇偶選擇開(kāi)關(guān)、后置調(diào)理電路及單片機(jī)組成，主要用于測(cè)量由多節(jié)單體動(dòng)力電池串聯(lián)而成的動(dòng)力電池組單體電壓。其中單體電池選擇開(kāi)關(guān)主要采用AQW216光耦合繼電器組與74HC138譯碼器組合控制，光耦合采樣繼電器組經(jīng)單片機(jī)控制以實(shí)現(xiàn)不同電池模塊巡回采樣的通斷[5?6]。如圖2所示。

由于電池兩端存在共模電壓，對(duì)電池組中單體電壓測(cè)量會(huì)出現(xiàn)很大誤差[7]，因此，設(shè)計(jì)飛渡電容以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣保持及消除共模干擾。主要實(shí)現(xiàn)方式為單體電池電壓經(jīng)前置調(diào)理電路限流給飛渡電容充電，電容充滿電后，關(guān)斷前級(jí)AQW216（S）；基于前置調(diào)理電路選通得到的是正負(fù)交替電壓[8]，需要設(shè)計(jì)后級(jí)奇偶選擇AQW216（K）將電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)整；后置調(diào)理電路主要用于調(diào)整信號(hào)幅值、減小信號(hào)內(nèi)阻和防止失真，基于電壓跟隨器的輸入阻抗無(wú)窮大，且飛渡電容具有信號(hào)保持作用，電壓跟隨器的輸出電壓即電容C2兩端電壓，從而可以對(duì)單體電池電壓進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；單片機(jī)主要用于電壓的測(cè)量。

74HC138譯碼器如圖3所示。

1.2 電壓采樣軟件設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證硬件采樣電路設(shè)計(jì)的精確性，通過(guò)軟件控制譯碼器來(lái)選擇光耦繼電器組的通斷以便能夠采集模塊單體電池電壓，軟件時(shí)序流程圖見(jiàn)圖4。

在完成一系列初始化之后，首先控制74HC138譯碼器輸出電平選通電池中某一個(gè)Block模塊向飛渡電容充電，再將該選通的Block關(guān)閉（74HC138譯碼器停止工作狀態(tài)），根據(jù)通道奇偶性選擇通斷光耦繼電器，啟動(dòng)A/D，讀電壓值，然后開(kāi)通MOS光耦合繼電器，使飛渡電容（C2）放電，接著關(guān)閉MOS光耦合繼電器，斷開(kāi)運(yùn)放與飛渡電容，清零通道切換采樣下一個(gè)模塊。

2 電壓采樣電路測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 電壓采樣電路測(cè)試

搭載圖5所示的單體電池電壓測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)軟件控制對(duì)電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)CANalyzer進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，具體步驟如下：

（1） 將圖5所示的電池箱選擇10個(gè)單體模塊模擬10個(gè)單體電池，通過(guò)20個(gè)單體電池串聯(lián)而成模擬動(dòng)力電池包的電壓采樣；

（2） 將示波器連接在圖1硬件原理圖相鄰兩個(gè)模塊如S2，S3以測(cè)量模組1中模塊2 的電壓，以便于觀察驗(yàn)證軟件控制時(shí)序是否正確；

（3） 分別設(shè)置動(dòng)力電池模擬箱體10個(gè)單體模塊同時(shí)輸出電壓為2 V，4 V，6 V，8 V，10 V，12 V，14 V，16 V，18 V，20 V（單體電池電壓不會(huì)超過(guò)20 V）；

（4） 通過(guò)圖5所示軟件時(shí)序控制74HC138譯碼器以保證MOS管的開(kāi)通與斷開(kāi)進(jìn)行電壓采樣；

（5） 實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，分別測(cè)試在模塊電池輸出上述電壓下各通道的A/D采樣值。

2.2 電壓采樣結(jié)果分析

從示波器抓取的波形可以得知，從開(kāi)始采集當(dāng)前模組電壓到下一次采集當(dāng)前模組電壓需要經(jīng)歷200 ms，見(jiàn)圖6，其中圖6（a）標(biāo)線和圖6（b）標(biāo)線是時(shí)間標(biāo)線，時(shí)間差是200 ms。并測(cè)出當(dāng)前通道整個(gè)采樣周期為20 ms，見(jiàn)圖7，其中圖7（a）標(biāo)線和圖7（b）標(biāo)線是時(shí)間標(biāo)線，時(shí)間差是20 ms，由此可知采樣測(cè)試通道切換時(shí)序正確。

電壓采樣時(shí)，使用CANalyzer實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，并通過(guò)其自帶的數(shù)據(jù)回放功能將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，見(jiàn)圖8，此時(shí)觀察回放圖形發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。再將該數(shù)據(jù)精確轉(zhuǎn)換后在Matlab中查看，其中單體電壓采樣最大最小值見(jiàn)表1，計(jì)算發(fā)現(xiàn)最大誤差小于0.4%，精度較高。

3 結(jié) 論

單體電壓采樣作為電池管理系統(tǒng)的核心部分之一，單體電壓采樣的研究對(duì)混合動(dòng)力汽車性能有著巨大作用。設(shè)計(jì)具有采樣電路前置調(diào)理電路的限流、分壓與濾波以及用于采樣保持的飛渡電容，具有信號(hào)幅值調(diào)整、信號(hào)內(nèi)阻減小和防止失真的后置調(diào)理電路和跟隨器。分析了電壓采樣設(shè)計(jì)原理，并通過(guò)電池箱模擬單體電池輸出模擬電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)CANalyzer記錄輸出不同模擬電壓下的電壓采樣值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并回放得出該電壓采樣電路誤差小于0.4%，采樣精度較高，滿足電壓采樣設(shè)計(jì)要求。

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