多路电压采集单元模块仿真设计

2010-11-22赵慧勇罗永革王保华刘珂路

湖北汽车工业学院学报 2010年2期

赵慧勇，罗永革,王保华，刘珂路

（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）

电源管理是电动汽车研究的一个热点，而电源内部的电压的采集和处理一直是其研究的一个重点。文章《车载镍氢电池管理系统电压采集方案的研究》通过查阅资料和实验验证，确定了电池管理系统的硬件框图，并对几种电压测量方法进行实验对比，确定了采用HCNR201进行电压测量的有效方法。由于电池系统是由许多单体电池串联组成，如果电压采集电路直接与单片机的A/D接口相连，则导致系统成本增加，本文运用光藕和三极管设计出一种适用的开关控制电路，降低了设计的成本。［1－2］

Multisim软件是加拿大Interactive Image Technologies（IIT）公司开发的电子线路设计与仿真分析软件，后来被Ni公司收购，成为Ni公司的NI Circuit Design Suite 10.1电路设计软件中的电路方针软件Multisim 10。该软件基于spice语言进行电子元器件模型设计电路仿真分析，仿真迅速、结果和实验相近，是电子线路设计领域应用最广泛的仿真软件之一。［3］

1 电路设计

由于电池的大电容的特性，其电压不会在瞬间发生巨烈变化，采样频率无需太高，采用集中式测量方法是较好选择。本文集中式测量的方案是：使用74LS138译码器进行控制，顺序输出控制信号，控制选择电路导通。［4］为了优化成本，除第一个选择电路端子和最后一个电路选择端子之外，每一个电路选择端子及其所在的电路都是复用的，以8节电池为例，控制信号控制的选择端子的顺序为（1，2）、（2，3）、（3，4）、（4，5）、（5，6）、（6，7）、（7，8）、（8，9），总体设计方案如图 1所示。

图1 多路电压采集模块总体方案

1.1 选择端子电路设计

选择端子电路是由公共信号通道、三极管和隔离光耦等组成的逻辑控制电路。部分电路如图2所示，A、B为子控制信号线。控制信号1发出时，通过子控制信号线A实现了光耦U1、U2开关导通，实现了将端子1和端子2的电压信号传递到公共信号线1、2上，实现了电池组电池V1的隔离取样。依次类推，控制信号2发生时，通过控制信号线B实现了光耦U2、U3（图中不可见）的开关导通，将端子2和端子3（图中不可见）的信号传递给公共信号线2、1上，实现了电池V2的隔离测量。依次类推，当电压选择控制电路工作时，公共信号线1、2之间的电压为正—负—正—负的矩形波。为此通过全波整流桥式电路实现了负值电压的正向反向，使得输出的电压信号为正电压信号。

图2 电压选择端子电路

1.2 隔离采样电路设计

电压信号的隔离采集采用线性光藕HCNR201完成隔离采样的设计。基于Multsim软件的电路设计中，为便于仿真分析输出电压的特性，在采样输出端和取样输出端连接示波仪或万用表。采样电路与电压选择端子电路结合，可得到完整的多路电压采集电路，其部分电路如图3所示。为了便于说明，本文将通过桥式整流电路的电压信号成为取样信号，经过线性光藕HCNR201转换后的电压信号成为采样信号，如图3所示。［5］

2 仿真分析

2.1 系统瞬态分析

为了分析系统最大工作频率，确定系统的适宜工作频率范围，采用该软件进行了系统采样瞬态分析，分析结果如图3所示。由图可以看出取样电压瞬态响应较好，但是采样电压有一定的滞后，并经过一段时间的衰减震荡才趋于稳定。根据理论，系统稳定周期一般为3～5 T，即3～5个震荡周期。从图表显示可以看出，在500 μs时刻系统才基本稳定，因此系统的最小周期为500 μs，则控制信号的最大工作频率为2 kHz。

2.2 温度扫描分析

为了分析温度对系统的影响，确定系统的适宜工作频率范围，采用该软件进行了温度扫描分析，设定温度为（－20～60），取步长为 40，分析结果见图4。可以看出温度对系统有一定的影响，温度在常温20°C时，系统相应很好，但是随着温度的增加，取样电压和采样电压响应滞后且稳定性降低，统的工作频率降低，温度为60°C时，稳定的最小周期为750 μs，则控制信号的最大工作频率为1.5 kHz。

2.3 重要元件参数扫描分析

在电路设计时候发现取样电压处的电容C3是对系统性能影响较大的元件，故对该软件进行了参数扫描分析，设定电容C3的扫描参数为（10－10F,10－8F,10－07F），则系统取样信号和采样信号响应如图5所示。可以看出，随着电容数值的增加，取样信号和采样信号均产生相应的响应之后，特别是取样信号出现了大惯性的滞后响应。因此参数选择为10－8F是比较理想的选择。

图3 部分多路电压采样电路

图4 温度扫描分析

综合上述分析，可以看出系统控制信号的理论最大工作频率不能超过1.5 kHz，考虑到其他偶然因素的影响，对系统的工作频率取一定的安全系数，如果安全系数取1.5，则希望系统的控制信号工作频率不超过1 kHz。

图5 参数扫描分析

3 硬件系统动态数字仿真分析

本文利用Ni公司的电路设计软件Multsim10对设计的电压选择电路进行动态交互式仿真分析，以确定该电路的工作频率，压降损耗。分析时定义电池组各电池（V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7,V8）的电压分别为（20，18，16，12，10，9，8，6）。取控制信号产生的频率分别为 10 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz，示波仪Y轴取样信号为10 V，采样信号为5 V，观察的采样信号分别如图6所示。

图6 不同频率下取样—采样输出曲线

通过采样曲线可知，该电路在控制信号频率很低的时候，采样效果很好，随着采样频率的增加，采样电路的输出波形逐渐变差，采样效果逐渐变差，当控制信号频率为1 kHz的时候，采样曲线完全成为了一条波动的曲线，已经达不到准确采样的功能。

表1 不同频率下取样—采样电压输出表

表1是在控制信号频率不同的条件下数字仿真测得的取样电压—采样电压数值。通过比较可以知道，采样结果一致性很好，只是在频率较高（达到500 Hz）时，采样电压稍微有些变化。通过仿真分析，可以知道该电路系统是低速采集系统。

考虑到电路系统的元件差异、环境、温度等影响因素，为保证采样信号的准确性，控制信号的频率最高不要超过1 kHz，推荐工作频率不超过500 Hz。由于该电路是八路控制信号顺序控制，则电路板的推荐工作频率应该不超过62.5（500/8）Hz。在此工作频率下，系统具有优良的适应性和稳定性，在温度为－20°C～60°C均具有良好的稳定性。