一種電動(dòng)汽車電池隔離采集電路的可靠性研究

李宇佳，王艷，殷天明

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100000）

隨著霧霾越來越嚴(yán)重，環(huán)境問題成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車排放成為大氣污染物的主要來源之一，這是毋庸置疑的。電動(dòng)汽車具有無污染，清潔高效等特點(diǎn)，在今后勢(shì)必引起一場(chǎng)綠色革命。電動(dòng)汽車以電池組為主要的動(dòng)力源，因而電池管理系統(tǒng)的地位至關(guān)重要。目前，電池組以單體電池并聯(lián)或串聯(lián)而成，單體電池由于制作工藝等原因，其本身之間存在差異，在充放電時(shí)會(huì)造成電池之間產(chǎn)生電壓差，縮短電池壽命。因此，檢測(cè)單體電池兩端電壓，保持電池電壓的一致性，可以延續(xù)電池的續(xù)航能力。

1 常用檢測(cè)電路

1.1 繼電器切換提取電壓法

繼電器切換提取電壓法是直接對(duì)單體電池測(cè)量，通過兩個(gè)差模運(yùn)算放大器相減實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的測(cè)量當(dāng)電池組串聯(lián)的單體電池?cái)?shù)量增多時(shí)，誤差不會(huì)積累，測(cè)量精度較高。但繼電器切換提取電壓法是非隔離測(cè)量法，安全性低，抗干擾能力差。

1.2 V/F轉(zhuǎn)換檢測(cè)法

V/F轉(zhuǎn)換檢測(cè)法是將待檢測(cè)的電壓信號(hào)傳輸入V/F轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換成與電壓大小相對(duì)應(yīng)的脈沖頻率信號(hào)。此方法將V/F轉(zhuǎn)換作為A/D轉(zhuǎn)換器只適用于高電壓檢測(cè)，對(duì)于電壓小信號(hào)精度低。

1.3 基于線性光耦電壓檢測(cè)法

目前常用的線性光耦是由美國HP公司生產(chǎn)的HCNR201，此光耦具有線性度高、運(yùn)行穩(wěn)定、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。通過外接不同的分立器件，可以實(shí)現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路。但使用此光耦的檢測(cè)電路造價(jià)成本高，增加了電池管理系統(tǒng)的成本。

2 隔離非線性電壓檢測(cè)法

2.1 工作原理

采集電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP2812給出，只有在有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，電壓采集電路開始工作。這使得在多節(jié)單體電池串聯(lián)的情況下，產(chǎn)生的功耗較低。

單體電壓采集電路兩端并聯(lián)到待測(cè)電池的兩端，其輸入電壓為待測(cè)電池的電壓。當(dāng)電壓采集電路開始工作時(shí)，光耦器件TLP521-4開始導(dǎo)通工作，采集電壓通過兩個(gè)等值的分壓電阻進(jìn)入運(yùn)算放大器1同相端，通過運(yùn)算放大器在電容兩端產(chǎn)生電壓差，電容開始充電。運(yùn)算放大器1輸出的12 V電壓使TLP521-4上下兩個(gè)光耦導(dǎo)通工作，此時(shí)兩個(gè)光耦等效于兩個(gè)分壓電阻，由于兩個(gè)光耦的傳輸比不同致使輸入到運(yùn)算放大器的電壓值不同，通過電容的積分作用，使最后運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的電壓達(dá)到平衡。運(yùn)算放大器2所組成的電路是電壓跟隨器，其作用為跟隨采集電壓。

通過動(dòng)態(tài)電壓的轉(zhuǎn)換最終將單體電池電壓輸出。

2.2 采集電路軟件程序設(shè)計(jì)

單體電池采集程序中，對(duì)單體電池的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，包括電池電壓采集和溫度采集。采集單元通過軟件觸發(fā)的形式，每100 ms進(jìn)行一次采集，通過CD4067將采集到的單體電池電壓依次發(fā)送至DSP中。DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷出最值以及是否存在故障。單體電池采集程序流程圖如圖1所示。

圖1 單體電池采集程序流程圖

2.3 單體電池電壓標(biāo)定

TLP521光耦價(jià)格便宜，但在測(cè)量單體電池時(shí)會(huì)產(chǎn)生線性度不高等問題，無法滿足在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的線性化為了提高測(cè)量的精度以及便于數(shù)據(jù)處理。電動(dòng)汽車的單體電池大多在2.2～4.0 V之間。為了提高所測(cè)單體電池的精確度，我們對(duì)設(shè)計(jì)的采集電路進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)下表的光耦輸入電壓可以測(cè)出光耦的輸出電壓，此電壓為輸入核心處理器電壓Vin=3.9 V。本次電壓采集電路使用型號(hào)為TMS320F281的DSP作為核心處理器，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為3.3 V，采樣精度為12位。則DSP的輸出A/D值為如表1所示。

表1 檢測(cè)電路實(shí)際值與標(biāo)定值

采用數(shù)值計(jì)算中分段線性化技術(shù)，在合適的范圍內(nèi)，用一次線性化擬合處理，擬合出輸入電壓（所測(cè)單體電池電壓）和所用中央處理器輸出電壓的一次關(guān)系式。找到可以利用的線性段，來滿足測(cè)量2.0～4.1 V電壓范圍。本次標(biāo)定以0.1 V為測(cè)量間距。TLP521線性度如表2所示。

根據(jù)上表的輸入光耦的實(shí)際值和經(jīng)過光耦后的輸出電壓可以得出兩者的線性關(guān)系如圖2所示。

通過對(duì)采集電路輸入電壓和標(biāo)定點(diǎn)的關(guān)系圖可以得出，R2>0.99，所以這是一個(gè)線性特征非常明顯的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即說明擬合直線能夠以大于99.99%地解釋、涵蓋了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，具有很好的一般性，可以說明輸入電壓和標(biāo)定電壓的關(guān)系成一次線性關(guān)系。

圖2 實(shí)際值與輸出值線性關(guān)系表

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 不同溫度下輸入電壓與輸出電壓關(guān)系

在電路中所使用的TPL521-4芯片中的兩個(gè)光耦的電路傳輸比不一定，分壓情況不同，因此不同的溫度會(huì)影響輸入電壓和DSP輸出電壓比。汽車級(jí)電子元件所要求的溫度范圍為-40～80℃，為了增加采集電路的數(shù)據(jù)精確度，測(cè)量在此溫度范圍內(nèi)的DSP輸出電壓和通過標(biāo)定后的顯示電壓，并對(duì)此進(jìn)行誤差分析及溫度誤差矯正。此次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以10為間隔，測(cè)量在各個(gè)溫度下的光耦輸入電壓分別與輸入電壓與現(xiàn)實(shí)電壓的關(guān)系如表2和圖3所示。

表2 在不同溫度下光耦輸入電壓與輸出電壓值

圖3 在不同溫度下光耦輸入電壓與輸出電壓值關(guān)系表

在不同溫度下對(duì)光耦輸入電壓與光耦輸出電壓的比較，可以得出溫度會(huì)對(duì)光耦的傳輸比有一定影響。

在3.9V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M3.9V=2.735，可得出方差為D3.9V=0.000 868；3.3 V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M3.3V=2.150 V，可得出方差為D3.3V=0.000 916；在2.0 V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M2.0V=0.888 V，可得出方差為D2.0V=0.000 908。由計(jì)算方差可知，溫度對(duì)光耦的傳輸比有一定影響，但其影響在合理范圍內(nèi)，滿足汽車級(jí)誤差要求。

3.2 誤差計(jì)算

對(duì)采樣電路進(jìn)行標(biāo)定后，再次對(duì)采樣電路在不同溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取了3.9 V、3.3 V和2.0 V 3個(gè)實(shí)際電壓，記錄不同溫度下對(duì)應(yīng)的顯示值，并對(duì)顯示電壓的誤差進(jìn)行計(jì)算，如表3～表5所示。

表3 實(shí)際值3.9 V時(shí)電壓顯示

在不同溫度下，采集板顯示電壓的誤差在0.5%，誤差精度為±0.002 V，滿足其汽車級(jí)誤差范圍。

4 結(jié) 論

文中介紹了一種成本低，適用于工業(yè)生產(chǎn)的單體電池采集電路。首先，對(duì)采集電路的工作原理進(jìn)行介紹，推算出采集電路的傳遞函數(shù)，為以后的應(yīng)用鋪墊了理論基礎(chǔ)。然后，對(duì)采集電路進(jìn)行標(biāo)定，改善了由光耦傳輸比不一定造成的分壓情況不同問題；最后，汽車級(jí)要求的溫度下對(duì)采集電路進(jìn)行了誤差分析驗(yàn)證，其結(jié)果滿足汽車工業(yè)要求。

此采集電路，使用低成本光耦器TLP521，大大降低了汽車電池管理系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。同時(shí)，在單體電池的測(cè)量范圍內(nèi)，其輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，使測(cè)量能力更加穩(wěn)定。

表4 實(shí)際值3.3 V時(shí)電壓顯示

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