摘要：本文介紹了電池管理系統(tǒng)中一種新穎的多路電壓采集電路，該電路應(yīng)用于采集電池單體電壓數(shù)目比較多的情況下，能夠顯著減少電路板的面積并降低成本，同時(shí)對(duì)測(cè)量精度影響不大。針對(duì)電路在軟件仿真和實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，本文分析其原因，并加以改善。

蓄電池是電動(dòng)汽車(chē)的重要?jiǎng)恿υ础楸ＷC電動(dòng)汽車(chē)的正常和安全行駛，電池管理系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)電池的電壓數(shù)據(jù)。通過(guò)電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的獲取。而為了防止電池的不均衡性帶來(lái)的局部過(guò)充/過(guò)放所引起的安全問(wèn)題，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須對(duì)每個(gè)單體或幾個(gè)單體電壓進(jìn)行精確測(cè)量。假如采用傳統(tǒng)的多路電壓采集方法，當(dāng)電池單體數(shù)目較多時(shí)，整個(gè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)會(huì)有成本高、一致性差等缺點(diǎn)。本文以電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新穎的多路電壓采集電路。

電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電壓巡檢的硬件結(jié)構(gòu)一般電動(dòng)汽車(chē)配備10~30節(jié)電池，單體(模塊)電壓范圍為3~20V，電池使用時(shí)串聯(lián)，蓄電池端電壓將達(dá)到200V以上。

740)this.width=740"border=undefined>圖1采用電路選通回路的電池管理系統(tǒng)的電壓采集方法740)this.width=740"border=undefined>圖2部分電壓信號(hào)調(diào)理電路

本文提出了如圖1所示的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)通過(guò)移位開(kāi)關(guān)電路依次選通被測(cè)回路，通過(guò)A/D采集單路數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。這種設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.電路簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化制作pCB板和布線過(guò)程。2.使用的器件少，成本低。采集電路中重要成本來(lái)自ADC，而該電路只要1個(gè)ADC即可。3.能夠解決由于運(yùn)算放大器等芯片的參數(shù)不均勻而引起的一致性較差的問(wèn)題。

采集電路描述采集對(duì)象為電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池，要對(duì)26節(jié)電池模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的電壓、電流和溫度監(jiān)測(cè)。測(cè)量模塊電壓范圍為8V~20V，電池串聯(lián)。按圖1的設(shè)計(jì)思路，采用巡檢電路管理電壓數(shù)據(jù)的采集。電路概述電路中的信號(hào)巡檢部分如圖2所示，電路共26路輸入，圖2中只表示其中兩路。在電路中，U1~U3為串聯(lián)模塊電壓信號(hào)的輸入端，從U1到U3電勢(shì)逐漸降低，每?jī)蓚€(gè)相鄰輸入端點(diǎn)之間為一個(gè)電池模塊(12V)。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)此電路后，接入后面的分壓電路和ADC。C1~C2為控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)為'0'時(shí)，光耦p521處于關(guān)閉狀態(tài)，使得pNp和NpN三極管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)電壓信號(hào)輸出至ADC的通道關(guān)閉；當(dāng)控制信號(hào)為'1'時(shí)，光耦開(kāi)通，電路中pNp和NpN三極管的基極出現(xiàn)反向電壓。此時(shí)，電路中三極管基極電流Ib為：740)this.width=740"border=undefined>參考圖2電路中的數(shù)據(jù)，可得電路發(fā)射極及集電極的電流Ice為：740)this.width=740"border=undefined>由于Ibβ>>Ice，所以輸入回路中pNp和NpN三極管處于飽和狀態(tài)。電壓信號(hào)輸出至ADC的通道開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)模塊電壓數(shù)據(jù)的選通。在本設(shè)計(jì)中，共有26路通道，通過(guò)26路信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)傳輸?shù)倪x擇。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的CpLD芯片XC9572控制信號(hào)的高低電平，使26路控制信號(hào)依次處于信號(hào)'1'狀態(tài)，每當(dāng)一路導(dǎo)通時(shí)，其他回路處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電路的開(kāi)/關(guān)控制。電壓信號(hào)從UOUT輸出后，經(jīng)過(guò)20V雙向瞬變二極管去除毛刺后接入分壓電路，分壓電路的輸出直接連入ADC，完成信號(hào)的采樣。通過(guò)單片機(jī)控制CpLD的輸出和系統(tǒng)的采樣周期，在CpLD開(kāi)通每路控制信號(hào)2ms后采樣數(shù)據(jù)。

采集電路仿真與分析實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：接入4路9V電池模塊，電路工作正常。把26路16V電池模塊依次接入電路，共400V。在連接至第22路時(shí)，三極管被擊穿。用ElectronicsWorkbench仿真軟件通過(guò)電路仿真對(duì)電路進(jìn)行分析。分析重要通過(guò)兩步進(jìn)行，首先分析單路導(dǎo)通過(guò)程中尖峰出現(xiàn)的原因，然后分析整體電路持續(xù)導(dǎo)通時(shí)的尖峰過(guò)程。單路仿真單路仿真模型如圖3所示。

740)this.width=740"border=undefined>圖3單路仿真模型

其仿真波形的每個(gè)方波的上升沿和下降沿都有一個(gè)小尖峰，將波形放大后得到尖峰的峰值為500mV。分析出現(xiàn)尖峰的原因有以下兩點(diǎn)：1.回路中感性元件的影響一般電路中導(dǎo)線都有感性，發(fā)生變化時(shí)，電路中的感性元件會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)引起電路中的尖峰。搭建如圖3的模型，通過(guò)改變電感的感抗分析感性元件對(duì)電路的影響。通過(guò)仿真可得，電感感抗為4.7mH電路的尖峰峰值為500mV，而100mH感抗電路的尖峰峰值為3V左右。進(jìn)行多組仿真可以得到：電路中電感感抗越大，尖峰的峰值越高。２.三極管開(kāi)關(guān)時(shí)間特性的影響每個(gè)回路中有pNp和NpN兩個(gè)三極管，而這對(duì)三極管的導(dǎo)通時(shí)間的差異對(duì)尖峰的出現(xiàn)也有影響。如圖4所示，分析單路中兩個(gè)三極管導(dǎo)通的過(guò)程。當(dāng)兩個(gè)三極管的導(dǎo)通時(shí)間不同時(shí)，假如一個(gè)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，而另外一個(gè)尚未導(dǎo)通，此時(shí)UOUT和GND中一端由于三極管導(dǎo)通而與輸入電壓(U1或U2)電位相同，而另一端則由于三極管沒(méi)有導(dǎo)通而處于未知電平狀態(tài)，假如此未知電平小于輸入低電平，則可能在三極管導(dǎo)通的瞬間出現(xiàn)尖峰。在兩個(gè)三極管關(guān)閉的時(shí)候亦然。在圖3搭建的模型中，觀測(cè)回路中NpN三極管兩端的波形，當(dāng)NpN三極管關(guān)閉時(shí)，三極管的ce兩極有-250mV的壓降，而三極管導(dǎo)通時(shí)，ce兩極間有250mV的壓降。由此可知在圖4中，三極管關(guān)閉時(shí)B點(diǎn)與GND之間存在250mV的壓降，從而在Q1導(dǎo)通而Q2未導(dǎo)通時(shí)，UOUT-GND間電壓比U1-U2間電壓高250mV，通過(guò)以上分析，在Q2導(dǎo)通時(shí)，會(huì)出現(xiàn)250mV的尖峰。關(guān)于單路電路來(lái)說(shuō)，三極管開(kāi)關(guān)特性影響的數(shù)值是定值，為0.25V。在圖4中可以看到，當(dāng)電感感抗為100mH時(shí)，電路的峰值為3V，可知電路中感性元件對(duì)電路的影響占主導(dǎo)地位。多路仿真多路仿真模型如圖５所示。

740)this.width=740"border=undefined>圖4導(dǎo)通電路740)this.width=740"border=undefined>圖5多路仿真模型

模型共有4路通道，每路電壓為12V，采用電流開(kāi)關(guān)控制采集通道的選通，控制電路為74LS138片選芯片。片選的三個(gè)輸入端是頻率為1000Hz、500Hz和250Hz的脈沖信號(hào)，這樣，在輸出端從Y0到Y(jié)7依次出現(xiàn)低電平信號(hào)，模型選用其中4路作為電流開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)。當(dāng)模型的第1路開(kāi)通時(shí)，輸出波形有比較明顯的尖峰(峰值為10V左右)。而在其他路開(kāi)通時(shí)，輸出波形的尖峰比較小(峰值為1V左右)。而由單路仿真可知，電路中由感抗引起的尖峰一般不會(huì)到10V。觀察第1路pNp管上的波形，見(jiàn)圖６。圖中，位置靠下的曲線為c極的波形(圖7中B點(diǎn)的波形)，位置靠上的曲線為e極的波形(圖7中A點(diǎn)的波形)。從圖中可以看出，在所有4路三極管都關(guān)閉的時(shí)刻，輸出點(diǎn)B的電壓比輸入點(diǎn)A低24V左右，即D點(diǎn)電壓低于A點(diǎn)24V左右(三極管關(guān)斷時(shí)B、D兩點(diǎn)電壓相同，參見(jiàn)圖6)。當(dāng)pNp管的導(dǎo)通時(shí)間比NpN管短時(shí)，圖7中通路打開(kāi)前A點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)24V左右，當(dāng)pNp管導(dǎo)通而NpN管還沒(méi)有導(dǎo)通的時(shí)候，輸出回路的壓降UBD為24V，而當(dāng)NpN管導(dǎo)通形成回路以后，要求輸出壓降下降到電池輸入兩端的電壓值，即12V，此時(shí)，輸出回路經(jīng)過(guò)放電達(dá)到要求，而出現(xiàn)第1路導(dǎo)通時(shí)刻的尖峰。由于電路是依次導(dǎo)通的，在上一路電路關(guān)閉時(shí)，輸出端的電勢(shì)維持在關(guān)閉前的狀態(tài)，由此不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高的尖峰。而小尖峰出現(xiàn)則重要是由電路感抗引起的。當(dāng)輸入路數(shù)比較多的時(shí)候，在所有回路都關(guān)閉時(shí)，輸出回路處在某個(gè)未知電平。當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)時(shí)間特性不同時(shí)，在導(dǎo)通瞬間，輸出波形中會(huì)出現(xiàn)尖峰，輸入回路中與pNp管相對(duì)應(yīng)端的電勢(shì)越高，輸出的尖峰則越高。下面測(cè)量實(shí)際電路的波形，首先接入6路左右的16V電池組，用示波器觀察輸出回路中UOUT與地線之間的電壓。第一路電池組導(dǎo)通時(shí)，輸出電平左端有尖峰出現(xiàn)，實(shí)際波形與分析的吻合，搭建的仿真模型有效。

改進(jìn)方法及改進(jìn)后電路測(cè)量數(shù)據(jù)的精度根據(jù)仿真結(jié)果，確定電路出現(xiàn)問(wèn)題重要有以下兩個(gè)原因：1.回路中感性元件的影響；2.三極管開(kāi)關(guān)特性的影響，此為重要原因。針對(duì)分析結(jié)果的改進(jìn)方法在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采取了以下改進(jìn)措施：1.并聯(lián)電容為了消除電路中電感對(duì)電路的影響，在輸出回路的兩端并聯(lián)電容。并聯(lián)電容基本上與回路的電感呈一定比例，而使得電路呈純阻性。2.串聯(lián)限流電阻在每對(duì)三極管和二極管中串聯(lián)限流電阻，可以保護(hù)三極管不會(huì)由于過(guò)流而擊穿。同時(shí)，由于此限流電阻還有分壓用途，使得瞬變二極管上的電壓進(jìn)一步降低，使瞬變二極管不易被擊穿。

740)this.width=740"border=undefined>圖6第1路pNp三極管兩端的波形740)this.width=740"border=undefined>圖7第1路仿真模型

改進(jìn)后的電路經(jīng)過(guò)在回路中串聯(lián)限流電阻，電路的安全性得到保證。但電路的一致性和線性則要進(jìn)一步測(cè)試。一致性測(cè)量測(cè)量一致性的重要問(wèn)題是電路中串聯(lián)的限流電阻的阻值之間有誤差。在電路中串聯(lián)的限流電阻為20k，誤差為1％。分別輸入9V和16V待測(cè)電壓，分別接入26路輸入端，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)不在此詳述。由數(shù)據(jù)可以看出，第22、23、25和26路的測(cè)量結(jié)果偏小，最大測(cè)量誤差為1.25%，測(cè)量一致性良好。線性測(cè)量由于電路中使用了三極管等非線性元器件，所以測(cè)量的線性要驗(yàn)證。驗(yàn)證時(shí)，隨機(jī)抽取一路，輸入電壓在2.0V~20.0V之間，每隔1V測(cè)量一次數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)也不在此詳述。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，輸入電壓在5V以下時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)是不可靠的。當(dāng)輸入電壓高于5V時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)與輸入電壓基本呈線性關(guān)系。由于本系統(tǒng)重要用于鎳氫電池的測(cè)量，模塊電壓為12V左右，電路可以滿足測(cè)量要求。

結(jié)語(yǔ)本文就A/D采樣測(cè)量電路中常用的多路電壓采集電路提出了一種設(shè)計(jì)方法。針對(duì)電路使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合ElectronicsWorkbench電路仿真軟件搭建模型仿真電路，提出了電路的改善方法。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，電路的一致性和線性較好，同時(shí)又具有電路簡(jiǎn)單、器件少等優(yōu)點(diǎn)。