带均衡功能的电压采集模块设计和实现

2014-07-25王光明曹铭黄菊花

电源技术 2014年10期

关键词：差分单体总线

王光明，曹铭，黄菊花

（南昌大学机电工程学院车辆工程，江西南昌330031）

带均衡功能的电压采集模块设计和实现

王光明，曹铭，黄菊花

（南昌大学机电工程学院车辆工程，江西南昌330031）

由于单体锂电池之间存在不一致性而影响其使用性能，因此在电池管理系统中须设置均衡模块。基于Freescale单片机设计并实现了20路带均衡功能的动力锂电池电压采集模块。该电压采集模块采用高速光耦进行单路选通；单体电池的电压经差分滤波电路、A/D转换电路以及单片机处理后用CAN总线发送给电池管理系统的主控模块。经实验验证该采集模块的性能稳定，充电完成后的电池一致性提高。

动力锂电池；电压采集；电池均衡；CAN总线

车用动力电池一般串联成电池组使用，电池组的性能取决于最差的单体电池。电池管理系统的算法是以采集到的电池状态参数为基础，因此必须保证电压采集数据的实时性和高精度。由于电池串联成组使用过程中存在不一致性问题，在给电池组充放电时，任何一个单体电池过充或过放都会影响电池组的性能和寿命。对电池组加装能量均衡系统，对充放电进行智能管理，可以有效缓解电池的不一致性，提高电池组使用性能和使用寿命。本文基于飞思卡尔MC9S08DZ60单片机，改进了电压采集模块的设计并且加入电池均衡模块。

1 电压采集模块设计

1.120路采集信号选通电路设计

本文设计的采集模块可以采集20个单体电池的电压。采集模块对单体电池采取巡检的方式，即每次只采集一块单体电池的电压，巡回采集。通过A11～A15的5根地址线控制3个74LS138片选芯片，当选通某一路后高速光耦AQW214EH导通，把对应的单体电池的正负极依次接入差分电路的V+和V―，然后接入A/D模块，经A/D模块转换后将电池电压数据通过CAN总线发送给BMS模块。图1中，A11、A12、A13控制DM74LS138的A、B、C引脚，用来控制Y0到Y7的选通；A14和A15用来选择U1、U2、U3。当A14、A15给低电平时选通U1，当A14给高电平A15给低电平时选通U2，当A14给低电平A15给高电平时选通U3。

图1 采集信号选通电路

1.2 电压采集电路设计

电压采集模块主要是采集每个单体电池电压和电池箱内的节点温度。由于采集模块只采集单体电池的电压，可以采用差分电路进行采集[1]。图2中，R1起限流作用，C1、C2构成滤波电路，输入端接入反相并联的二极管D1、D2，将输入电压限制在二极管的正向压降以下，保护输入级的晶体管。R1、R2、R3、R4、R5、C3和AR1运放构成差分信号采集电路。运放AR2、C4构成电压跟随器，电压跟随器具有输入高阻抗、输出低阻抗的特性，信号检测时能起缓冲、隔离、提高带载能力的作用[2]。

图2 差分滤波电路

当信号选通电路选中某一块单体电池后，电池电压经过滤波电路进入差分采集模块，输出电压1=5(+――)/3，单端输出的1通过电压跟随电路和差分滤波电路一起组成二阶低通滤波，有利于改善滤波特性[3]，其中1=2=_OUT。_OUT端输出的电压进入MC9S08DZ60单片机本身集成ADC模块进行转换，其特性是：采用12位分辨率的线性逐次逼近算法，可以单次或连续转换，采样时间和转换速度/功率可配置。单块电池一次电压采集时间约为8.5ms，可以满足电池管理系统的实时性要求。

2 多路温度采集

温度对锂电池的性能影响较大，电池管理系统需要实时监控电池的温度，因此要求采集电池节点之间的温度[4]。为了降低成本、提高可靠性，本设计采用了Maxim公司的数字温度传感器DS18B20，它采用一线式总线结构直接输出数字量信号。传感温度范围―55～125℃，A/D转换精度为12位。每块采集模块上装有4个温度传感器，其中3个布置在电池包的温度采集节点上，用来采集电池的温度；另外还有一个布置在采集模块上，用来采集模块自身的工作温度，作为均衡时冷却风扇控制的一个主要参考信号。DS18B20的转换速度较慢，为了提高温度的采集速率，采用一个I/O口控制一个DS18B20，而不是一个I/O口控制多个DS18B20的方式。这样虽然多用了几个I/O口，但其好处是对CPU进行一个字节的操作就可以同时控制四路温度采集模块，大大提高了效率，采集的温度实时性更高，当然温度采集的准确性也就提高了。

3 CAN通信

采集模块采集到的电压数据和温度数据都需要通过CAN总线发送给电池管理系统的主控制器BMS；BMS也通过CAN总线发送信号控制采集模块；由于选择的MC9S08DZ60单片机集成了CAN通信模块MSCAN，还需要外接一个CAN通信收发器TJA1040。在此对CAN通信模块进行隔离设计，提高了稳定性[5]。

CAN总线的信号隔离设计如图3所示：从CPU引出的TXCAN和RXCAN分别接到高速光耦6N137，而由TJA1040的TXD和RXD引脚分别接到6N137的OUT和IN引脚，这样CAN总线就与单片机隔离开了。同时，CAN总线的电源和地线单独供给，与其他模块分开，这样可以提高CAN总线的抗干扰能力[6]。在CANH和CANL的引脚上与地之间，接上小于100 pf的滤波电容，降低总线上的高频干扰。

图3 CAN通信原理图

4 均衡电路设计与散热处理

4.1 均衡电路设计

常用的均衡方法有能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡方法。耗散型的均衡方式，就是当电池电压超过设定的值时，接通功率电阻，将多余的电量通过发热的形式耗散掉，其优点是电路设计简单、技术成熟、性能稳定，缺点是发热量大，造成能量损失[7]。非耗散型均衡是指均衡过程中电池组的能量在单体电池间发生转移，即电量高的单体电池给电量低的单体电池充电，能量损耗小，但是这种均衡电路设计复杂，成本较高，稳定性也不能确定。基于以上因素，本设计采用的是充电耗散型均衡电路，设计电路如图4所示。

图4 均衡电路原理图

当控制端FD_01输出高电平时光耦JP3导通，此时MOS管开关电路栅极G和源极S上电，漏极D与源极S导通，功率电阻开始工作耗散多出的能量，同时发光二极管指示灯亮。

选用的磷酸铁锂电池最高充电电压为3.65V，标称容量为100Ah。要保证较好的均衡效果，功率电阻的功率不能太小也不能太大，太大难以散热，太小则均衡效果不好，对于100Ah的电池一般使用10～20A的电流充电，均衡电流至少应该在1A左右[8]。因此，选择5W3Ω的金属壳功率电阻（兼顾散热性）。

本文采用的方案是在充电过程中由PWM信号驱动均衡开关，其占空比由均衡控制电路根据相应的充电控制策略进行调整。

4.2 均衡散热处理

被动均衡的一个主要问题是均衡过程中如何散热，散热不好将导致采集模块的温度过高，影响采集模块的运行稳定性和可靠性[9]。本文采用了铝合金散热片和风扇的组合散热方式。散热铝片的平面端用散热硅脂与功率电阻的金属外壳粘结在一起，有散热导槽的端面装两个散热风扇，采集模块的盒子两侧开散热口。另外在板子上布有一个温度传感器，当检测到板子温度过高时，立即停止均衡，两个风扇同时开启，等到温度降下来之后再继续开启均衡。图5所示为风扇的驱动控制电路，PB0接单片机的I/O口，FAN1接风扇的驱动控制端。

图5 风扇的驱动控制电路

5 实验结果

通过实验证明，电压采集模块能够稳定地采集数据而且采集的电压精度较高。在没有采用充电均衡模块的情况下，充满电以后在静态时，用4位半高精度万用表测得的电压值与采集电压值的对照如图6所示（每块电池测量10次，取平均值，得出每个点的电压值）。由图6可知，误差在5mV范围之内，电压采集结果比较准确。

图6 测量电压与采集电压对比

用放电机将电池放电一段时间后再次测量电池电压并记录数据。然后开启均衡模块给电池进行充电均衡，充电过程中（室温19℃）每20min记录一次采集模块的温度，并且记录充满电后的电池电压，如图7所示。由图7可知，充电前电池的不一致性较严重，其中6号电池偏差最大，经过充电均衡后，各个电池之间的电压相差较小，在可以接受的范围内，一致性有了明显的改善。

图7 均衡前后电压对比图

均衡过程中的温度变化曲线如图8所示，在开始时由于电池之间的电压相差较大，因此均衡电流比较大，温度升高较快，一段时间后温度开始下降，末段时间由于使用涓流充电，因此均衡电流很小，发热量较少，温度基本与室温持平。由曲线可以看出在充电均衡过程中，采集模块最高的温升不超过3℃。因此，可以认为采集模块的均衡散热效果较好，均衡发热不会对采集模块造成影响。

图8 采集模块温度随时间变化曲线

6 结束语

本文设计的采集模块的电压采集速度快，可以满足电池管理系统对单体电池电压实时监控的要求。采用差分采集电路，性能稳定可靠，误差较小。对CAN通信模块进行了双隔离处理，提高了CAN通信的稳定性。采集模块带有充电均衡功能，可以提高充电时的电池一致性，而且均衡产生的热量通过加装散热片和风扇得到了较好的控制。但是毕竟采用的是耗散式的均衡方式，给电池充电时会浪费一定的能源。主动均衡技术正在成熟，能量损耗更小，这将是锂电池均衡的发展方向。

[1]张彩萍，张承宁，李军求.电动车辆动力电池组电压采集电路设计[J].电器应用，2007，26(12)：91-93.

[2]杨虎，杜常清，颜伏伍，等.高精度动力电池组电压采集单元的设计[J].电源技术，2011，35(10)：1221-1223.

[3]刘松柏，姚晓阳，吴正平.差分滤波电路在机车直流电压信号采集中的应用[J].机车电传动，2010(6)：27-30.

[4]吴友宇，梁红.电动汽车动力电池均衡方法研究[J].汽车工程，2004，26(4)：382-385.

[5]何仕品，朱建新.锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究[J].汽车工程，2009，31(5)：445-447.

[6]蒋原，杜晓伟，齐铂金.基于Freescale单片机的电池管理系统设计[J].现代电子技术，2011，34(1)：164-166.

[7]夏正鹏，汪兴兴，倪红军，等.电动汽车电池管理系统研究进展[J].电源技术，2012，36(7)：1052-1054.

[8]王占国，文峰，盛大双，等.新型充放电均衡一体化电池管理系统研究[J].电子测量与仪器学报，2012，26(5)：431-436.

[9]任发，刘和平，周颖，等.车载电池集中管理方案设计[J].电源技术，2011(6)：702-704.

Design and implementation voltage acquisition board with equalization function

WANG Guang-min,CAO Ming,HUANG Ju-hua

The performance of batteries was influenced because of inconsistencies among themonomer lithium battery.So the equalizationmodule in the Battery Management System was necessary.The 20-channel power lithium battery voltage acquisitionmodule with equalization function was designed and implemented based on Freescalemicrocontroller.High-speed optocoupler for single channel strobe was used in voltage acquisitionmodule.After the acquisition of the differential filter circuit,conversion ofA/D conversion circuit and processing of MCU,the single battery voltage was sent to the BMSmain controlmodule by CAN Bus.The acquisitionmodule's stably performance was validated,and the battery consistency after being charged was improved.

power lithium battery;voltage acquisition;battery equalization;CAN bus

TM 912

1002-087 X(2014)10-1815-03