一種電動汽車電池隔離采集電路的可靠性研究

李宇佳，王艷，殷天明

（北京交通大學電氣工程學院，北京100000）

隨著霧霾越來越嚴重，環境問題成為大家關注的焦點。汽車排放成為大氣污染物的主要來源之一，這是毋庸置疑的。電動汽車具有無污染，清潔高效等特點，在今后勢必引起一場綠色革命。電動汽車以電池組為主要的動力源，因而電池管理系統的地位至關重要。目前，電池組以單體電池并聯或串聯而成，單體電池由于制作工藝等原因，其本身之間存在差異，在充放電時會造成電池之間產生電壓差，縮短電池壽命。因此，檢測單體電池兩端電壓，保持電池電壓的一致性，可以延續電池的續航能力。

1 常用檢測電路

1.1 繼電器切換提取電壓法

繼電器切換提取電壓法是直接對單體電池測量，通過兩個差模運算放大器相減實現對電池電壓的測量當電池組串聯的單體電池數量增多時，誤差不會積累，測量精度較高。但繼電器切換提取電壓法是非隔離測量法，安全性低，抗干擾能力差。

1.2 V/F轉換檢測法

V/F轉換檢測法是將待檢測的電壓信號傳輸入V/F轉換系統中，轉換成與電壓大小相對應的脈沖頻率信號。此方法將V/F轉換作為A/D轉換器只適用于高電壓檢測，對于電壓小信號精度低。

1.3 基于線性光耦電壓檢測法

目前常用的線性光耦是由美國HP公司生產的HCNR201，此光耦具有線性度高、運行穩定、頻帶寬等優點。通過外接不同的分立器件，可以實現多種光電隔離轉換電路。但使用此光耦的檢測電路造價成本高，增加了電池管理系統的成本。

2 隔離非線性電壓檢測法

2.1 工作原理

采集電路的驅動信號由DSP2812給出，只有在有驅動信號時，電壓采集電路開始工作。這使得在多節單體電池串聯的情況下，產生的功耗較低。

單體電壓采集電路兩端并聯到待測電池的兩端，其輸入電壓為待測電池的電壓。當電壓采集電路開始工作時，光耦器件TLP521-4開始導通工作，采集電壓通過兩個等值的分壓電阻進入運算放大器1同相端，通過運算放大器在電容兩端產生電壓差，電容開始充電。運算放大器1輸出的12 V電壓使TLP521-4上下兩個光耦導通工作，此時兩個光耦等效于兩個分壓電阻，由于兩個光耦的傳輸比不同致使輸入到運算放大器的電壓值不同，通過電容的積分作用，使最后運算放大器同相輸入端和反相輸入端的電壓達到平衡。運算放大器2所組成的電路是電壓跟隨器，其作用為跟隨采集電壓。

通過動態電壓的轉換最終將單體電池電壓輸出。

2.2 采集電路軟件程序設計

單體電池采集程序中，對單體電池的狀態信息進行采集，包括電池電壓采集和溫度采集。采集單元通過軟件觸發的形式，每100 ms進行一次采集，通過CD4067將采集到的單體電池電壓依次發送至DSP中。DSP對數據進行處理，判斷出最值以及是否存在故障。單體電池采集程序流程圖如圖1所示。

圖1 單體電池采集程序流程圖

2.3 單體電池電壓標定

TLP521光耦價格便宜，但在測量單體電池時會產生線性度不高等問題，無法滿足在整個測量范圍內的線性化為了提高測量的精度以及便于數據處理。電動汽車的單體電池大多在2.2～4.0 V之間。為了提高所測單體電池的精確度，我們對設計的采集電路進行標定。根據下表的光耦輸入電壓可以測出光耦的輸出電壓，此電壓為輸入核心處理器電壓Vin=3.9 V。本次電壓采集電路使用型號為TMS320F281的DSP作為核心處理器，A/D轉換參考電壓為3.3 V，采樣精度為12位。則DSP的輸出A/D值為如表1所示。

表1 檢測電路實際值與標定值

采用數值計算中分段線性化技術，在合適的范圍內，用一次線性化擬合處理，擬合出輸入電壓（所測單體電池電壓）和所用中央處理器輸出電壓的一次關系式。找到可以利用的線性段，來滿足測量2.0～4.1 V電壓范圍。本次標定以0.1 V為測量間距。TLP521線性度如表2所示。

根據上表的輸入光耦的實際值和經過光耦后的輸出電壓可以得出兩者的線性關系如圖2所示。

通過對采集電路輸入電壓和標定點的關系圖可以得出，R2>0.99，所以這是一個線性特征非常明顯的實驗模型，即說明擬合直線能夠以大于99.99%地解釋、涵蓋了實測數據，具有很好的一般性，可以說明輸入電壓和標定電壓的關系成一次線性關系。

圖2 實際值與輸出值線性關系表

3 實驗驗證

3.1 不同溫度下輸入電壓與輸出電壓關系

在電路中所使用的TPL521-4芯片中的兩個光耦的電路傳輸比不一定，分壓情況不同，因此不同的溫度會影響輸入電壓和DSP輸出電壓比。汽車級電子元件所要求的溫度范圍為-40～80℃，為了增加采集電路的數據精確度，測量在此溫度范圍內的DSP輸出電壓和通過標定后的顯示電壓，并對此進行誤差分析及溫度誤差矯正。此次實驗驗證以10為間隔，測量在各個溫度下的光耦輸入電壓分別與輸入電壓與現實電壓的關系如表2和圖3所示。

表2 在不同溫度下光耦輸入電壓與輸出電壓值

圖3 在不同溫度下光耦輸入電壓與輸出電壓值關系表

在不同溫度下對光耦輸入電壓與光耦輸出電壓的比較，可以得出溫度會對光耦的傳輸比有一定影響。

在3.9V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M3.9V=2.735，可得出方差為D3.9V=0.000 868；3.3 V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M3.3V=2.150 V，可得出方差為D3.3V=0.000 916；在2.0 V電壓下，光耦輸出電壓平均值為M2.0V=0.888 V，可得出方差為D2.0V=0.000 908。由計算方差可知，溫度對光耦的傳輸比有一定影響，但其影響在合理范圍內，滿足汽車級誤差要求。

3.2 誤差計算

對采樣電路進行標定后，再次對采樣電路在不同溫度下進行實驗，選取了3.9 V、3.3 V和2.0 V 3個實際電壓，記錄不同溫度下對應的顯示值，并對顯示電壓的誤差進行計算，如表3～表5所示。

表3 實際值3.9 V時電壓顯示

在不同溫度下，采集板顯示電壓的誤差在0.5%，誤差精度為±0.002 V，滿足其汽車級誤差范圍。

4 結 論

文中介紹了一種成本低，適用于工業生產的單體電池采集電路。首先，對采集電路的工作原理進行介紹，推算出采集電路的傳遞函數，為以后的應用鋪墊了理論基礎。然后，對采集電路進行標定，改善了由光耦傳輸比不一定造成的分壓情況不同問題；最后，汽車級要求的溫度下對采集電路進行了誤差分析驗證，其結果滿足汽車工業要求。

此采集電路，使用低成本光耦器TLP521，大大降低了汽車電池管理系統的生產成本。同時，在單體電池的測量范圍內，其輸入電壓與輸出電壓成線性關系，使測量能力更加穩定。

表4 實際值3.3 V時電壓顯示

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