一種單體電壓“鏡像”采集電路設計

胡 斌，李 琨，吳子昱，劉 洋

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.天津理工大學電氣電子工程學院，天津300384)

電源系統是衛星中最重要的分系統之一，其在衛星全壽命期內為載荷提供穩定的能量來源，其性能直接影響衛星的功率能力和壽命兩項關鍵指標。當前95%以上的衛星都采用太陽電池陣組合蓄電池組作為電源系統，而蓄電池組中單體電荷量失衡是運行過程中一個普遍的問題，這可能會導致非常嚴重的問題，如電能效率降低，易導致某個單體過充或過放，并存在爆炸等安全性風險[1-3]。單體電壓檢測是當前電池管理系統中必備的功能之一，其能夠實時檢測每節電池的電壓，及時發現單體被過充或過放，進而采取一定的保護措施，提高電池組的安全性[4-6]。

傳統電池單體電壓采集的方法有飛電容法、電阻分壓法、浮動地測量法等。飛電容法在電池數量較少時，可以采用普通的模擬開關，如CD405x 系列；當電池數量較多時，超出了模擬開關的輸入范圍，可以采用繼電器做為開關，但繼電器的開關速度和壽命會影響檢測的速度，且繼電壓動作的時候有噪聲；另外也可以采用光電MOS 繼電器，但由于需要的MOS 繼電器數量較大，成本較高[7]。電阻分壓法，也稱為共模電壓法，受電阻精度影響，電壓采集精度較低，而且容易產生累積誤差；另外由于電阻網絡造成串聯電池組中每個電池的靜態電流不一樣，長期下去對電池組的一致性影響比較大，需要增加額外的電阻匹配電路來使得各單體靜態電流趨于一致。浮動地測量法可以達到較高的測量精度,但是地電位經常受現場干擾發生變化，不能對地電位進行精確控制,影響整個系統的測量精度。

當前比較流行的電池組內的單體電壓采集方式是采用高集成度的芯片，如LTC6804、LTC6811、MC33771C、BQ79606A-Q1、BQ76940 和BQ20Z655 等[8]，售價較高，如在國內BMS 廠商廣泛使用的LTC6804 芯片，其售價約150 元人民幣，成本較高，并且需要滿足最少的電池串聯數(如LTC6804需要至少8 節電池級聯)。

本文提出了一套能夠支持任意節電池級聯電壓的采集電路，其通過電壓映射的方式將有累計電壓的單體電壓映射到統一的電平，故可以直接用多路選擇器和模數轉換器直接采集任何一節單體的電壓，且對每個單體的耗電較少，耗電一致性較高，不會造成電池不均衡。

1 采集電路設計

1.1 采集電路總體設計

采集電路的總體方案如圖1所示。圖中Cell1，Cell2，……CellN為N節串聯在一起的電池單體，其各自的電壓通過“電壓映射電路”映射為統一電平的電壓值。

圖1 電池單體電壓采集系統框圖

假設各單體電壓均為3 V，在左端因為電池為串聯形式，其電壓會不斷累積，可以達到很高的電壓值，故不能直接用AD 等元件進行電壓采集。而“電壓映射電路”連接至每個單體的兩端，其只將單體自身電壓進行映射，故右端得到的映射電壓均為3 V。因此，通過模擬多路選擇器之后，可以用一個AD 轉換器對多個單體的電壓進行采集。

1.2 電壓映射電路設計

“電壓映射電路”的內部電路如圖2所示，圖中的斜體字表示電路網絡的名稱。當時鐘CLK(占空比為50%的方波)開啟，電池組中的所有單體電池會通過變壓器映射到變壓器的次級。整個電路是在統一的時鐘CLK 的驅動下進行工作，由于不同電池單體對應的電壓映射電路所處的電平不同(即MOS 管的源極電壓不同)，故在MOS 柵極的驅動電路中增加了電容C1和電阻R1，使得柵極電壓能夠跟隨MOS 源極變化，且能夠將CLK 的方波信號傳遞至柵極。

圖2 電壓映射電路原理圖

此電壓映射電路的工作過程分為兩個階段：一是CLK 信號為高，MOS 管閉合階段；二是CLK 信號為低，MOS 管斷開階段。

(1)階段1 的電路工作原理

當MOS 管Q1閉合，電池Celli通過變壓器初級進行放電，變壓器初級電感蓄能，由于變壓器的初、次級的匝數比為1∶1，故在變壓器的次級SAMPi映射出電池電壓，且映射的電壓是以“地”為參考的，由此可得：

此時VSAMPi不存在累計電壓，電壓范圍在0～5 V 之間，故可以通過后續的模擬多路選擇器和AD 轉換器進行電壓采集。

(2)階段2 的電路工作原理

當MOS 管Q1關閉，電池的負端與變壓器初級斷開，而初級電感中電流不能突變，儲存在電感中的能力轉移至電容C2，電容C2右側的極板Mi電壓升高。當電感中電流變為0，Mi電壓高于電池正端電壓，故電容通過電感向電池充電，當電容完全放電，Mi電壓恢復到電池負端電壓，MOS 管將又一次開啟，進入下一個周期。

1.3 電壓映射中的誤差修正

當電池與電池采樣電路的連線較長，其寄生電阻(Rxi)不能忽略，同時考慮到變壓器繞組的電阻(RLia、RLib)和MOS 管導通的電阻(Rmosi)，故上述電路可以在MOS 導通時得到如圖3所示的等效電路。

圖3 考慮寄生電阻后的等效電路圖

當所有的MOS 管同時關閉和開啟時，各支路中的電流(I1，I2，I3，……，IN)是相同的。當以MOS 管剛剛開啟的時刻作為0 時刻，則在時刻t支路中電流為：

根據圖3所示，在非最低或最高的電池單體對應的連接線中，上下相鄰兩個回路中電流可能相互抵消，故線纜寄生電阻對非最低或最高的電池單體的電壓采樣影響較小，采樣精度基本只受MOS 管導通電阻Rmosi和電感寄生電阻RLia影響。

而位于電池組最上端或最下端的電池，其回路中有一組線纜寄生阻抗上的電流無法和相鄰的單體進行抵消，故其采樣電壓的表達式如下：

因此在進行參數修正時，第1 節、第N節和其他節電池單體要用不同的修正公式。

2 仿真及測試結果

利用Saber 軟件仿真了支持3 節單體的電壓映射電路，仿真的原理圖如圖4所示，其中電池引線電阻設為1 mΩ，變壓器初級側寄生電阻為10 mΩ，MOS管的導通電阻約為20 mΩ。

圖4 電壓映射電路仿真圖

圖5 為仿真得到了三個MOS 管柵極的波形(Vclk1，Vclk2，Vclk3)，其電位根據源極(連接至不同的電池根部)而出現差異。

圖5 隔直電容后的波形

在仿真中，為了驗證對電池電壓的采樣精度，將三節電池的電壓分別設定為Vcell1=3.6 V，Vcell2=3.7 V，Vcell3=3.8 V。經過仿真，得到在變壓器次級線圈節點(samp1，samp2，samp3)的波形如圖6所示，其獲得的映射電池電壓分別為Vsamp1=3.601 9 V，Vsamp2=3.699 3 V，Vsamp3=3.798 3 V，與電池本身電壓的誤差都小于3 mV。

圖6 變壓器次級波形圖

為了進一步驗證電路的可行性，課題組制作了支持12 節電池電壓采樣的電路板，圖7 為實物的照片。

圖7 電池電壓采樣電路板照片

圖8 給出了用示波器測試的關鍵節點的波形。

圖8 電路中關鍵點的波形圖

表1 給出了12 節電池采樣的測試結果，其中測量值是使用自行設計的電路板采樣得到的電池電壓，真實值是使用高精度臺式萬用表測量的電池電壓，兩者的最大誤差在1.2 mV，完全滿足一般電池管理系統對電池電壓采樣精度的需求。

表1 單體電壓采樣精度測試 mV

3 總結

本論文設計了一套支持任意節電池串聯的單體電壓采集方案，此方案對電池的耗能較小，且對每節電池耗能均勻，不會引發電池的不一致性。并且控制電路的時序簡單，不需要對采集電壓再進一步進行折算，因此本方案適合于在衛星電源系統中應用。論文還深入研究了電壓采樣誤差的來源，并給出了相應的修正的方法。經電路仿真和實物測試，此套方案的電壓采集精度能夠達到3 mV 以內，完全滿足普通電池管理系統的要求。