电动车辆动力电池组电压采集电路设计

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1、万方数据嘭乏量‘铂2007年第26卷第12期电动车辆动力电池组电压采集电路设计张彩萍张承宁李军求(北京理S--大学机械-9车辆工程学院100081)摘要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，为了避免电池电压的不均衡性带来的局部电池过充／过放引起的安全问题，要求检测系统必须对电池单体电压进行精确测量。设计了基于压控恒流源法的电池组电池单体电压采集电路，该电路以运算放大器为核心，将被检测的电压信号转换成电流形式，提高了电池单体检测模块的抗干扰性和工作稳定性，并且该检测电路在某电驱动车辆上得到了成功的应用，电压采集

2、精度在0．5％以内。关键词压控恒流源法电池单体电压电动车辆1引言动力电池组是混合电驱动车辆上重要的能量组成部件，它既能配合发动机一发电机组为电机驱动系统提供电能，又能吸收再生制动能量，并在整车能量系统中起到重要的功率均衡作用¨』，因此，其状态好坏和寿命长短在很大程度上决定了整车性能的优劣。为保证车辆正常可靠行驶，电池管理系统必须实时监测电池电压的数据。为避免电池电压不均衡性带来的局部电池过充／过放引起的安全问题—要求检测系统必须对电池单体电压进行精确测量[2

3、。2动力电池组单体电压采集电路设计2．1电池单体电压采集方法电压采集电路直接影响到电压测

4、试的精确程度，因而采集电路设计是否适当对整个系统至关重要。对电池单体电压进行测量，有两种方法bj：①对每节电池单体电压直接采集。②采集(n+1)节电池总电压，减去n节电池的总电压得第(玮+1)节电池电压。第一种电压采集精确而且安全；第二种虽然电路比较简单但是当电池节数多时采集的电压太高，不仅不安全而且会出现较大的误差。因此选用第一种方法。2．2电池单体电压采集电路的设计电压采集电路要求安全，采集的电压要足够的稳定。这里采用压控恒流源电路，原理如图1所示，该电路利用差动放大电路对共模信号的抑制原理实现长串电池组电池单体电压的测量，把被检测的电压差(

5、即单体电池端电压)转换成电流的形式长距离传输而不受外界干扰，且传输精度高，适合于不同电压级别的微机接口电路，以便数据采集和转换，从而方便实际应用。图1中的压控恒流源电路L4j以运算放大器(这里选用的是LMl58运算放大器)为核心，两个二极管用来保护运算放大器的内部电路，被检测电压差取自每节电池的正负极输出端，即电池单体电压Ub。。如下Ub。t=U1一U2(1)铃第图1压控恒流源电路原理图由于电路中引入了负反馈，运算放大器工作在线性区，应用其在线性区“虚短”，“虚断”的原理，可得半：警(2)R1一R，”7毪}=等㈤R，一R4⋯7U．=U一(4)若在

6、选取电阻时满足R，>>R，那么输出电流一9J一万方数据嘭三易闻2007年第26卷第12期电动车辆动力电池组电压采集电路设计，则由下式可得，。与≯㈥，≈—二__l(5)若Rl／R3=R2／R4，则联立上述五式，可得，UbatR3／，、o2面LoJ最终输出电压U=，RL(7)由式(6)可以看出，流过负载电阻R．的电流与单体电池电压值Ub。。成正比，而与负载电阻RL的值无关。这样只要改变RL的阻值，就可把电流转换成不同的电压级别，从而满足不同单片机接口的需要。此外，图中的电感L】、￡2，电容C起到了对输入信号滤波和消除毛刺的作用。值得提出的是电阻值匹配

7、问题，根据应用的电池检测电路模块，单片机的A／D转换输入电压范围是0～5V，且转换电阻R和负载电阻R。分别选用阻值为1k12和33012的精密电阻，又知道输入量——电池单体电压的变化区间是9～15V，联立式(6)和式(7)得u／Ub。。=R3／3R1，即可推算出最为合适的匹配电阻比例关系，即R，／R，=R：／R。=2。利用这个比例值，并在综合考虑运放性能指标的前提下，特选定了两套匹配电阻阻值方案以进行对比，分别为：①R1=R2=20k‘2，R3=R4=10kQ。②R1=R2=200kO，R3=R4=100kQ。比较实验的过程如下：在不同的输入电压

8、巩。。下，分别测量两种方案的输出电压u，并求得输出与输入之间的比值，从而判断各自线性度的好坏，根据实验数据得到线性度曲线如图2所示。不难看出，方案①中u／Ub。。保持了更好的线性度，因此采集精度也更高，这在实际应用中同样得到了体现，最终下位机中的压控恒流源电路选用匹配电阻阻值方案①。究其原因，可以知道集成运放LMl58的差模输入电阻R；。是主要影响因素，Ri。是运算放大器的主要性能指标之一，其值愈大，从信号索取的电流愈小。又知LMl58的Rid为1×107Q左右，当采设；而应用方案②时，匹配电阻阻值与Rid相差约100倍左右，运放的相对信号索取电

9、流变大，这时LM158的工作状态不完全与理想运放相符合，故不确定性增加，具体表现为数据采集的线性度下降。图2两种匹配电阻阻值方案线性度比