鋰離子電源系統高精度總電壓采集器設計及實現

王 蕾，田云芳，謝 秋，賓 玲

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南洛陽471000）

1 概 述

隨著社會進步和科技發展，能源和環境問題日益嚴重，鋰離子動力電池及電動汽車開始蓬勃發展［1，2］。為了確保鋰電池組可靠運行，延長使用壽命，降低成本，電池管理系統應運而生。對電動汽車電源系統而言，數據采集的精度和速度是整個電池管理系統的關鍵，對電池系統的安全運行至關重要。電池組總電壓是電池管理系統必須監測的參數之一，涉及電池參數實時監測、安全保護及故障報警等方面，對于保證乘客安全、電池組和電氣設備可靠工作及車輛安全運行具有直接意義［3］。

目前，電池組總電壓采集方案一般采用單體電壓累加求和、電壓隔離傳感器及微控制器模數轉換方案［4-6］。單體電壓累加求和方案采用單體電壓累加得到總電壓，該方案存在累積誤差，不能真實反映電池組的斷路狀態。電壓隔離傳感器方案測量范圍寬、信號電氣隔離、抗干擾能力強，但價格相對高，體積大。微控制器模數轉換方案，電池組高壓信號未隔離或使用模擬隔離，采樣信號易受干擾，且微控制器片內集成的模數轉換器位數較低，采樣信號誤差大，而片內集成高精度模數轉換器的微控制器價位高。針對上述問題，本文提出一種新的高精度總電壓測量方案，電池組信號處理后經過低通濾波，由16位高精度模數轉換器進行A／D轉換，數字信號隔離傳輸提高抗干擾能力，微控制器實現數據處理后發送至LCD顯示單元，實現對鋰離子電池組總電壓信號的實時監測。

2 系統設計方案

為了實時監測鋰離子動力電池組總電壓，采用電阻分壓方式將電池組高壓信號降壓至芯片采樣區間，經過低通濾波后由高精度模數轉換器進行A／D轉換，轉換后的數字信號經隔離的I2C總線發送至微控制器，微控制器對數字信號計算處理后，通過RS485串口通信將采樣數據傳送至LCD顯示。系統結構框圖見圖1所示。

2.1 模數轉換

一般微控制器片內自帶的模數轉換模塊轉換位數低，精度不高，因此本設計選用TI公司16位高精度連續自校準、差分輸入模數轉換器ADS1100，其核心由在線可編程增益放大器、ΔΣA／D轉換器、時鐘振蕩器、I2C接口組成。ADS1100內部結構框圖見圖2所示。

A／D轉換器由一個差分開關電容ΔΣ調節器和數字濾波器組成，該調節器測量正負模擬輸入信號的電壓差，將其與芯片基準信號進行比較，經數字濾波后輸出一個與輸入電壓成比例的二進制代碼為：

圖1 系統結構框圖

圖2 ADS1100內部結構框圖

式（1），PGA為放大倍數，數據速率為8 SPS。

ADS1100 I2C接口為2線漏極開路接口，需要外接上拉電阻，電阻的大小取決于總線傳輸速度、功耗及總線容抗，較大的電阻功耗低，延長總線傳輸時間，較小的電阻輸出時間短，功耗大。ADS1100外圍電路如圖3所示。

圖3 ADS1100外圍電路圖

2.2 隔離通信

電動汽車鋰離子電源系統通常采用較高的電壓平臺，以減小電氣設備的工作電流，蓄電池組電壓一般在300 V以上。為確保測量模塊的安全性，避免核心器件受高壓危害，切斷干擾信號傳輸的路徑，提高信號的抗干擾能力，總電壓數據采集采用隔離設計，選用基于磁隔離技術的一款無鎖存雙向總線隔離器ADUM1250ARZ，從根本上解決了傳統光電隔離方案實現雙向傳輸的難題，AD-

UM1250ARZ外圍電路如圖4所示。

圖4 ADUM1250外圍電路圖

2.3 微控制器

微控制器選用FREESCALE公司汽車級芯片MC9S08DZ16，該芯片集成多種功能模塊和接口，包含8位HCS08中央處理器、1KB RAM，512B EEPROM、多功能時鐘發生器，I2C模塊、串行通信接口、在線調試接口等，具有低功耗、兼容性好、運算速度快、抗干擾能力強等優點。微控制器使用4 MHz外部無源晶振，提高時鐘信號的可靠性，總線頻率達8 k Hz。5 V電源為微控制器供電，電源管腳外接一個10μF的大容量電解電容和0.1μF的陶瓷旁路電容抑制干擾噪聲。MC9S08DZ16外圍簡化電路如圖5所示。

圖5 MC9S08DZ16外圍簡化電路圖

3 軟件設計方案

系統軟件設計包括數據采樣、AD轉換、I2C通信、數據處理等。軟件設計的關鍵在于微控制器讀取ADS1100模數轉換的數據。微控制器對ADS1100的所有操作是通過對其輸出寄存器和配置寄存器的訪問實現的，16位輸出寄存器存儲A／D轉換的結果，配置寄存器用于設置ADS1100的工作方式，數據速率及增益。用戶可從ADS1100中讀取輸出寄存器和配置寄存器的內容，首先要對ADS1100進行尋址，并從器件中讀取3個字節，其中前2個為輸出寄存器的內容，后1個為配置寄存器的內容。主機與從機I2C通信流程圖見圖6所示。

微控制器首先進行時鐘初始化、數據初始化、I2C初始化，配置I2C傳輸的波特率，使能I2C模塊和中斷請求。微控制器置為主機模式，寫入IICD，進行尋址操作，發送ADS1100地址（0x91），等待從機ADS1100應答。當微控制器發出的地址與從機地址匹配時，從機發送應答位進行響應。若從機發送應答信號超時，I2C模塊停止，若從機發送應答信號，主機讀取輸出寄存器三個字節數據。

圖6 I2 C通信流程圖

4 試驗驗證分析

為了驗證電池組總電壓采集方案的測量精度，將設計的模塊安裝于某型電動車上進行裝車試驗。該車裝配中航鋰電（洛陽）有限公司生產的1并100串CA100磷酸鐵鋰電池組。模塊初始測試時總電壓測試值與實際值誤差相對較大，且出現電壓跳動現象。筆者對測量誤差和采樣值跳動產生的原因進行深入分析，對模塊進行優化設計，減小電壓測量誤差，提高信號的抗干擾能力，確保系統安全可靠運行，采集模塊改進點主要包含以下幾個方面。

（1）分壓電阻的精度、溫漂及比例

因模數轉換器電壓信號輸入范圍為GND-0.2～VDD+0.2，因此必須配置相應的分壓電路，將電池組高壓信號轉換至模數轉換器允許的輸入電壓范圍內。分壓電阻的選擇需考慮電池組絕緣要求、電阻損耗、檢測精度、溫漂、分壓比例、電阻功率及耐壓等問題，綜合考慮上述因素，分壓電阻改選用4個510 kΩ1／4 W和1個20 kΩ1／4 W 0.1%精度，25 ppm／℃的薄膜電阻，電池組總電壓Uz與輸出代碼outputcode的關系為：

其中outputcode為采樣電壓AD轉換后的二進制代碼。

（2）隔離電源的紋波

因模數轉換芯片ADS1100以電源電壓為基準信號，對供電電源模塊要求較高。電源模塊的精度對采樣信號的誤差存在直接影響，基準電壓不穩定，采樣信號易出現跳變現象，因此改進時將非穩壓型DC-DC電源模塊B0505-W75替換為隔離穩壓型電源模塊IB0505-W75。ADS1100電源必須足夠干凈，電源管腳使用一個10μF的擔電容和一個0.1μF的陶瓷電容并聯濾波，走線盡可能粗。盡管ADS1100片內有數字濾波器可衰減部分高頻干擾，但是本設計仍需要使用片外RC濾波器，并考慮ADS1100的輸入阻抗對濾波網絡的影響。

（3）零偏置參數及滿偏置參數校正

由于電子元器件的固有特性，輸入信號為零時，輸出信號不為零，存在零點漂移。針對該問題，在模塊改進設計時，采用參數校正功能。本設計采用軟硬件結合的方式進行參數校正，將零校正參數Para-Zero及滿偏置參數Para-Full基準值寫入微控制器片內E2PROM中，每次模塊上電，微控制器數據初始化時讀出校正參數對采樣數據進行補償。那么采集信號校正處理后的Uz為：

（4）優化PCB設計

PCB板改進設計時，高壓信號和低壓信號、數字信號和模擬信號分開布局，提高系統的抗擾性和穩定性。在隔離芯片及隔離電源下方開槽，以確保隔離效果。電路板采取可靠接地，減小接地阻抗［7，8］。

（5）增加保護措施

模擬輸入電壓不能超過ADS1100的最大允許輸入電壓，輸入電流不能超過其可承受的瞬時最大電流，否則會對模數轉換器造成永久性的損害。因此在模擬信號輸入端加穩壓二極管和100Ω限流電阻防護。

按照上述幾方面對模塊軟硬件改進設計，重新裝車測試。在充電過程中記錄測試數據，衡量電池組總電壓采集精度及穩定性，充電電流為0.3 C（100×0.3=30 A）。測試過程中電池組電壓逐步上升，未出現電壓異常跳變現象，具體測試數據見表1所示。

從表1可以看出，在電池組充電過程中，總電壓隨充電時間不斷升高，其中實際值為電池組實際測量值，采用6位半數字萬用表測試所得，顯示值為LCD顯示值，誤差為二者絕對誤差。圖7給出了充電時的電壓測量誤差分布曲線。

表1 電池組總電壓測試數據(充電) 單位（V）

圖7 總電壓誤差曲線

從圖7可以看出，電池組總電壓檢測值與實際值誤差較小，在整個充電過程中絕對誤差小于0.9 V。測量誤差隨采樣電壓值增大呈現逐漸增大趨勢。為保證模塊在整個量程內的測量精度，后續將采用精密電源施加校準信號校正滿偏置參數，采用軟件算法補償。

5 結論和展望

本文針對鋰離子電池組高壓檢測問題，提出了一種高精度總電壓測量方案，基于16位高精度模數轉換器、光耦隔離器件及微控制器實現電池組電壓信號精確測量。文中詳細闡述了系統硬件設計和軟件設計方案，分析了電壓測量誤差產生的原因并進行優化設計，達到減小測量誤差，提高信號抗干擾能力，確保系統可靠運行。測試結果表明，該鋰離子電池組電壓檢測方案測量誤差小、精度高，能夠滿足電池組總電壓參數監測實際需要。目前依據該方案設計的模塊已小批量應用于某公司純電動汽車中。

［1］邵漢橋，張 維，陳鵬云.我國電動汽車狀況分析［J］.電力市場，2010，5（23）：10-15.

［2］張 雯.我國電動汽車發展現狀的探討［J］.山東電力技術，2014，（1）：77-80.

［3］WESTBROOK M H.The Electric Car［M］.London：The Institution of Electrical Engineers，2001.

［4］黎 林.純電動汽車用鋰電池管理系統的研究［D］.北京：北京交通大學碩士論文，2009.

［5］王敏旺.純電動汽車整車控制器［D］.湖南：湖南大學，2011.

［6］張青令，李鵬飛，朱永利.一種電池管理系統電壓采集電路的優化設計［J］.汽車電器，2014，（5）：8-10.

［7］朱玉龍.汽車電子硬件設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

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