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电动汽车电池管理系统的多路电压采集电路设计

来源:【TRD】 发布日期:2020-05-28 分享 加入收藏 关注:381

蓄电池是电动汽车的重要动力源。为保证电动汽车的正常和安全行驶,电池管理系统必须实时监测电动汽车电池的电压数据。通过电压采集电路和A/D转换实现电压数据的获取。而为了防止电池的不均衡性带来的局部过充/过放所引起的安全问题,要求监测系统必须对每个单体或几个单体电压进行精确测量。假如采用传统的多路电压采集方法,当电池单体数目较多时,整个管理系统的设计与实现会有成本高、一致性差等缺点。本文以电动汽车用铅酸电池为对象,设计了一种新颖的多路电压采集电路。



电池监测系统中电压巡检的硬件结构一般电动汽车配备10~30节电池,单体(模块)电压范围为3~20V,电池使用时串联,蓄电池端电压将达到200V以上。



采集电路描述采集对象为电动汽车用铅酸电池,要对26节电池模块进行实时的电压、电流和温度监测。测量模块电压范围为8V~20V,电池串联。按图1的设计思路,采用巡检电路管理电压数据的采集。电路概述电路中的信号巡检部分如图2所示,电路共26路输入,图2中只表示其中两路。在电路中,U1~U3为串联模块电压信号的输入端,从U1到U3电势逐渐降低,每两个相邻输入端点之间为一个电池模块(12V)。电压信号经过此电路后,接入后面的分压电路和ADC。C1~C2为控制信号,当控制信号为'0'时,光耦p521处于关闭状态,使得pNp和NpN三极管处于关闭状态,此时电压信号输出至ADC的通道关闭;当控制信号为'1'时,光耦开通,电路中pNp和NpN三极管的基极出现反向电压。此时,电路中三极管基极电流Ib为:740)this.width=740"border=undefined>参考图2电路中的数据,可得电路发射极及集电极的电流Ice为:740)this.width=740"border=undefined>由于Ibβ>>Ice,所以输入回路中pNp和NpN三极管处于饱和状态。电压信号输出至ADC的通道开通,实现模块电压数据的选通。在本设计中,共有26路通道,通过26路信号控制,实现采集信号传输的选择。本设计选用Xilinx企业的CpLD芯片XC9572控制信号的高低电平,使26路控制信号依次处于信号'1'状态,每当一路导通时,其他回路处于关闭状态,实现电路的开/关控制。电压信号从UOUT输出后,经过20V双向瞬变二极管去除毛刺后接入分压电路,分压电路的输出直接连入ADC,完成信号的采样。通过单片机控制CpLD的输出和系统的采样周期,在CpLD开通每路控制信号2ms后采样数据。



其仿真波形的每个方波的上升沿和下降沿都有一个小尖峰,将波形放大后得到尖峰的峰值为500mV。分析出现尖峰的原因有以下两点:1.回路中感性元件的影响一般电路中导线都有感性,发生变化时,电路中的感性元件会出现感应电动势,可能会引起电路中的尖峰。搭建如图3的模型,通过改变电感的感抗分析感性元件对电路的影响。通过仿真可得,电感感抗为4.7mH电路的尖峰峰值为500mV,而100mH感抗电路的尖峰峰值为3V左右。进行多组仿真可以得到:电路中电感感抗越大,尖峰的峰值越高。2.三极管开关时间特性的影响每个回路中有pNp和NpN两个三极管,而这对三极管的导通时间的差异对尖峰的出现也有影响。如图4所示,分析单路中两个三极管导通的过程。当两个三极管的导通时间不同时,假如一个三极管处于导通状态,而另外一个尚未导通,此时UOUT和GND中一端由于三极管导通而与输入电压(U1或U2)电位相同,而另一端则由于三极管没有导通而处于未知电平状态,假如此未知电平小于输入低电平,则可能在三极管导通的瞬间出现尖峰。在两个三极管关闭的时候亦然。在图3搭建的模型中,观测回路中NpN三极管两端的波形,当NpN三极管关闭时,三极管的ce两极有-250mV的压降,而三极管导通时,ce两极间有250mV的压降。由此可知在图4中,三极管关闭时B点与GND之间存在250mV的压降,从而在Q1导通而Q2未导通时,UOUT-GND间电压比U1-U2间电压高250mV,通过以上分析,在Q2导通时,会出现250mV的尖峰。关于单路电路来说,三极管开关特性影响的数值是定值,为0.25V。在图4中可以看到,当电感感抗为100mH时,电路的峰值为3V,可知电路中感性元件对电路的影响占主导地位。



模型共有4路通道,每路电压为12V,采用电流开关控制采集通道的选通,控制电路为74LS138片选芯片。片选的三个输入端是频率为1000Hz、500Hz和250Hz的脉冲信号,这样,在输出端从Y0到Y7依次出现低电平信号,模型选用其中4路作为电流开关的控制信号。当模型的第1路开通时,输出波形有比较明显的尖峰(峰值为10V左右)。而在其他路开通时,输出波形的尖峰比较小(峰值为1V左右)。而由单路仿真可知,电路中由感抗引起的尖峰一般不会到10V。观察第1路pNp管上的波形,位置靠下的曲线为c极的波形(图7中B点的波形),位置靠上的曲线为e极的波形(图7中A点的波形)。从图中可以看出,在所有4路三极管都关闭的时刻,输出点B的电压比输入点A低24V左右,即D点电压低于A点24V左右(三极管关断时B、D两点电压相同,参见图6)。当pNp管的导通时间比NpN管短时,图7中通路打开前A点电压高于D点24V左右,当pNp管导通而NpN管还没有导通的时候,输出回路的压降UBD为24V,而当NpN管导通形成回路以后,要求输出压降下降到电池输入两端的电压值,即12V,此时,输出回路经过放电达到要求,而出现第1路导通时刻的尖峰。由于电路是依次导通的,在上一路电路关闭时,输出端的电势维持在关闭前的状态,由此不会出现过高的尖峰。而小尖峰出现则重要是由电路感抗引起的。当输入路数比较多的时候,在所有回路都关闭时,输出回路处在某个未知电平。当三极管开关时间特性不同时,在导通瞬间,输出波形中会出现尖峰,输入回路中与pNp管相对应端的电势越高,输出的尖峰则越高。下面测量实际电路的波形,首先接入6路左右的16V电池组,用示波器观察输出回路中UOUT与地线之间的电压。第一路电池组导通时,输出电平左端有尖峰出现,实际波形与分析的吻合,搭建的仿真模型有效。



改进方法及改进后电路测量数据的精度根据仿真结果,确定电路出现问题重要有以下两个原因:1.回路中感性元件的影响;2.三极管开关特性的影响,此为重要原因。针对分析结果的改进方法在本系统设计中,采取了以下改进措施:1.并联电容为了消除电路中电感对电路的影响,在输出回路的两端并联电容。并联电容基本上与回路的电感呈一定比例,而使得电路呈纯阻性。2.串联限流电阻在每对三极管和二极管中串联限流电阻,可以保护三极管不会由于过流而击穿。同时,由于此限流电阻还有分压用途,使得瞬变二极管上的电压进一步降低,使瞬变二极管不易被击穿。


结语本文就A/D采样测量电路中常用的多路电压采集电路提出了一种设计方法。针对电路使用中出现的问题,结合ElectronicsWorkbench电路仿真App搭建模型仿真电路,提出了电路的改善方法。经过验证,电路的一致性和线性较好,同时又具有电路简单、器件少等优点。

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