蓄电池是电动车的主要动力源。为保证电动车的正常和安全行驶,电池管理系统必须实时监测电
动车电池的电压数据。通过电压采集电路和A/D转换实现电压数据的获取。而为了避免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。如果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。
图1采用电路选通回路的电池管理系统的电压采集方法
图2 部分电压信号调理电路
本文提出了如图1所示的设计思路。设计通过移位开关电路依次选通被测回路,通过A/D采集单路数据,完成数据采集。这种设计方法具有以下优点:
1. 电路简单。简化制作PCB板和布线过程。
2. 使用的器件少,成本低。采集电路中主要成本来自ADC,而该电路只需要1个ADC即可。
采集电路描述
采集对象为电动车用铅酸电池CONTROL ENGINEERING China版权所有,需要对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三极管的基极产生反向电压。此时,电路中三极管基极电流Ib为:
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:
由于Ib?β>>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公司的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CONTROL ENGINEERING China版权所有,在CPLD开通每路控制信号2ms后采样数据。
采集电路仿真与分析
实际应用中,会出现以下问题:
接入4路9V电池模块,电路工作正常。把26路16V电池模块依次接入电路www.cechina.cn,共400V。在连接至第22路时,三极管被击穿。
用Electronics Workbench仿真软件通过电路仿真对电路进行分析。分析主要通过两步进行,首先分析单路导通过程中尖峰产生的原因,然后分析整体电路连续导通时的尖峰过程。
单路仿真
单路仿真模型如图3所示。
图3单路仿真模型
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。分析产生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产生感应电动势,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4.7 mH电路的尖峰峰值为500mV控制工程网版权所有,而100 mH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产生也有影响。
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CONTROL ENGINEERING China版权所有,如果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,如果此未知电平小于输入低电平,则可能在三极管导通的瞬间产生尖峰。在两个三极管关闭的时候亦然。