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，同時對測量精度影響不大。針對電路在軟件仿真和實際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題，本文分析其原因，并加以改善。

蓄電池是電動汽車的重要動力源。為保證電動汽車的正常和安全行駛，電池管理系統(tǒng)必須實時監(jiān)測電動汽車電池的電壓數(shù)據(jù)。通過電壓采集電路和A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的獲取。而為了防止電池的不均衡性帶來的局部過充/過放所引起的安全問題，要求監(jiān)測系統(tǒng)必須對每個單體或幾個單體電壓進行精確測量。假如采用傳統(tǒng)的多路電壓采集方法，當電池單體數(shù)目較多時，整個管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)會有成本高、一致性差等缺點。本文以電動汽車用鉛酸電池為對象，設(shè)計了一種新穎的多路電壓采集電路。

電池監(jiān)測系統(tǒng)中電壓巡檢的硬件結(jié)構(gòu)一般電動汽車配備10~30節(jié)電池，單體(模塊)電壓范圍為3~20V，電池使用時串聯(lián)，蓄電池端電壓將達到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部分電壓信號調(diào)理電路

本文提出了如圖1所示的設(shè)計思路。設(shè)計通過移位開關(guān)電路依次選通被測回路，通過A/D采集單路數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。這種設(shè)計方法具有以下優(yōu)點：1.電路簡單。簡化制作pCB板和布線過程。2.使用的器件少，成本低。采集電路中重要成本來自ADC，而該電路只要1個ADC即可。3.能夠解決由于運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題。

采集電路描述采集對象為電動汽車用鉛酸電池，要對26節(jié)電池模塊進行實時的電壓、電流和溫度監(jiān)測。測量模塊電壓范圍為8V~20V，電池串聯(lián)。按圖1的設(shè)計思路，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)模塊電壓信號的輸入端，從U1到U3電勢逐漸降低，每兩個相鄰輸入端點之間為一個電池模塊(12V)。電壓信號經(jīng)過此電路后，接入后面的分壓電路和ADC。C1~C2為控制信號，當控制信號為'0'時，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)，此時電壓信號輸出至ADC的通道關(guān)閉；當控制信號為'1'時，光耦開通，電路中pNp和NpN三極管的基極出現(xiàn)反向電壓。此時，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)。電壓信號輸出至ADC的通道開通，實現(xiàn)模塊電壓數(shù)據(jù)的選通。在本設(shè)計中，共有26路通道，通過26路信號控制，實現(xiàn)采集信號傳輸?shù)倪x擇。本設(shè)計選用Xilinx公司的CpLD芯片XC9572控制信號的高低電平，使26路控制信號依次處于信號'1'狀態(tài)，每當一路導通時，其他回路處于關(guān)閉狀態(tài)，實現(xiàn)電路的開/關(guān)控制。電壓信號從UOUT輸出后，經(jīng)過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，完成信號的采樣。通過單片機控制CpLD的輸出和系統(tǒng)的采樣周期，在CpLD開通每路控制信號2ms后采樣數(shù)據(jù)。

采集電路仿真與分析實際應(yīng)用中，會出現(xiàn)以下問題：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，三極管被擊穿。用ElectronicsWorkbench仿真軟件通過電路仿真對電路進行分析。分析重要通過兩步進行，首先分析單路導通過程中尖峰出現(xiàn)的原因，然后分析整體電路持續(xù)導通時的尖峰過程。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

其仿真波形的每個方波的上升沿和下降沿都有一個小尖峰，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：1.回路中感性元件的影響一般電路中導線都有感性，發(fā)生變化時，電路中的感性元件會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，可能會引起電路中的尖峰。搭建如圖3的模型，通過改變電感的感抗分析感性元件對電路的影響。通過仿真可得，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。２.三極管開關(guān)時間特性的影響每個回路中有pNp和NpN兩個三極管，而這對三極管的導通時間的差異對尖峰的出現(xiàn)也有影響。如圖4所示，分析單路中兩個三極管導通的過程。當兩個三極管的導通時間不同時，假如一個三極管處于導通狀態(tài)，而另外一個尚未導通，此時UOUT和GND中一端由于三極管導通而與輸入電壓(U1或U2)電位相同，而另一端則由于三極管沒有導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，則可能在三極管導通的瞬間出現(xiàn)尖峰。在兩個三極管關(guān)閉的時候亦然。在圖3搭建的模型中，觀測回路中NpN三極管兩端的波形，當NpN三極管關(guān)閉時，三極管的ce兩極有-250mV的壓降，而三極管導通時，ce兩極間有250mV的壓降。由此可知在圖4中，三極管關(guān)閉時B點與GND之間存在250mV的壓降，從而在Q1導通而Q2未導通時，UOUT-GND間電壓比U1-U2間電壓高250mV，通過以上分析，在Q2導通時，會出現(xiàn)250mV的尖峰。關(guān)于單路電路來說，三極管開關(guān)特性影響的數(shù)值是定值，為0.25V。在圖4中可以看到，當電感感抗為100mH時，電路的峰值為3V，可知電路中感性元件對電路的影響占主導地位。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。片選的三個輸入端是頻率為1000Hz、500Hz和250Hz的脈沖信號，這樣，在輸出端從Y0到Y(jié)7依次出現(xiàn)低電平信號，模型選用其中4路作為電流開關(guān)的控制信號。當模型的第1路開通時，輸出波形有比較明顯的尖峰(峰值為10V左右)。而在其他路開通時，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到10V。觀察第1路pNp管上的波形，見圖６。圖中，位置靠下的曲線為c極的波形(圖7中B點的波形)，位置靠上的曲線為e極的波形(圖7中A點的波形)。從圖中可以看出，在所有4路三極管都關(guān)閉的時刻，輸出點B的電壓比輸入點A低24V左右，即D點電壓低于A點24V左右(三極管關(guān)斷時B、D兩點電壓相同，參見圖6)。當pNp管的導通時間比NpN管短時，圖7中通路打開前A點電壓高于D點24V左右，當pNp管導通而NpN管還沒有導通的時候，輸出回路的壓降UBD為24V，而當NpN管導通形成回路以后，要求輸出壓降下降到電池輸入兩端的電壓值，即12V，此時，輸出回路經(jīng)過放電達到要求，而出現(xiàn)第1路導通時刻的尖峰。由于電路是依次導通的，在上一路電路關(guān)閉時，輸出端的電勢維持在關(guān)閉前的狀態(tài)，由此不會出現(xiàn)過高的尖峰。而小尖峰出現(xiàn)則重要是由電路感抗引起的。當輸入路數(shù)比較多的時候，在所有回路都關(guān)閉時，輸出回路處在某個未知電平。當三極管開關(guān)時間特性不同時，在導通瞬間，輸出波形中會出現(xiàn)尖峰，輸入回路中與pNp管相對應(yīng)端的電勢越高，輸出的尖峰則越高。下面測量實際電路的波形，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。第一路電池組導通時，輸出電平左端有尖峰出現(xiàn)，實際波形與分析的吻合，搭建的仿真模型有效。

改進方法及改進后電路測量數(shù)據(jù)的精度根據(jù)仿真結(jié)果，確定電路出現(xiàn)問題重要有以下兩個原因：1.回路中感性元件的影響；2.三極管開關(guān)特性的影響，此為重要原因。針對分析結(jié)果的改進方法在本系統(tǒng)設(shè)計中，采取了以下改進措施：1.并聯(lián)電容為了消除電路中電感對電路的影響，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)限流電阻在每對三極管和二極管中串聯(lián)限流電阻，可以保護三極管不會由于過流而擊穿。同時，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

改進后的電路經(jīng)過在回路中串聯(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一步測試。一致性測量測量一致性的重要問題是電路中串聯(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待測電壓，分別接入26路輸入端，得到的測量數(shù)據(jù)不在此詳述。由數(shù)據(jù)可以看出，第22、23、25和26路的測量結(jié)果偏小，最大測量誤差為1.25%，測量一致性良好。線性測量由于電路中使用了三極管等非線性元器件，所以測量的線性要驗證。驗證時，隨機抽取一路，輸入電壓在2.0V~20.0V之間，每隔1V測量一次數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)也不在此詳述。通過數(shù)據(jù)可知，輸入電壓在5V以下時，測量數(shù)據(jù)是不可靠的。當輸入電壓高于5V時，測量數(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量，模塊電壓為12V左右，電路可以滿足測量要求。

結(jié)語本文就A/D采樣測量電路中常用的多路電壓采集電路提出了一種設(shè)計方法。針對電路使用中出現(xiàn)的問題，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)過驗證，電路的一致性和線性較好，同時又具有電路簡單、器件少等優(yōu)點。