一种电动汽车电池隔离采集电路的可靠性研究

李宇佳，王艳，殷天明

（北京交通大学电气工程学院，北京100000）

随着雾霾越来越严重，环境问题成为大家关注的焦点。汽车排放成为大气污染物的主要来源之一，这是毋庸置疑的。电动汽车具有无污染，清洁高效等特点，在今后势必引起一场绿色革命。电动汽车以电池组为主要的动力源，因而电池管理系统的地位至关重要。目前，电池组以单体电池并联或串联而成，单体电池由于制作工艺等原因，其本身之间存在差异，在充放电时会造成电池之间产生电压差，缩短电池寿命。因此，检测单体电池两端电压，保持电池电压的一致性，可以延续电池的续航能力。

1 常用检测电路

1.1 继电器切换提取电压法

继电器切换提取电压法是直接对单体电池测量，通过两个差模运算放大器相减实现对电池电压的测量当电池组串联的单体电池数量增多时，误差不会积累，测量精度较高。但继电器切换提取电压法是非隔离测量法，安全性低，抗干扰能力差。

1.2 V/F转换检测法

V/F转换检测法是将待检测的电压信号传输入V/F转换系统中，转换成与电压大小相对应的脉冲频率信号。此方法将V/F转换作为A/D转换器只适用于高电压检测，对于电压小信号精度低。

1.3 基于线性光耦电压检测法

目前常用的线性光耦是由美国HP公司生产的HCNR201，此光耦具有线性度高、运行稳定、频带宽等优点。通过外接不同的分立器件，可以实现多种光电隔离转换电路。但使用此光耦的检测电路造价成本高，增加了电池管理系统的成本。

2 隔离非线性电压检测法

2.1 工作原理

采集电路的驱动信号由DSP2812给出，只有在有驱动信号时，电压采集电路开始工作。这使得在多节单体电池串联的情况下，产生的功耗较低。

单体电压采集电路两端并联到待测电池的两端，其输入电压为待测电池的电压。当电压采集电路开始工作时，光耦器件TLP521-4开始导通工作，采集电压通过两个等值的分压电阻进入运算放大器1同相端，通过运算放大器在电容两端产生电压差，电容开始充电。运算放大器1输出的12 V电压使TLP521-4上下两个光耦导通工作，此时两个光耦等效于两个分压电阻，由于两个光耦的传输比不同致使输入到运算放大器的电压值不同，通过电容的积分作用，使最后运算放大器同相输入端和反相输入端的电压达到平衡。运算放大器2所组成的电路是电压跟随器，其作用为跟随采集电压。

通过动态电压的转换最终将单体电池电压输出。

2.2 采集电路软件程序设计

单体电池采集程序中，对单体电池的状态信息进行采集，包括电池电压采集和温度采集。采集单元通过软件触发的形式，每100 ms进行一次采集，通过CD4067将采集到的单体电池电压依次发送至DSP中。DSP对数据进行处理，判断出最值以及是否存在故障。单体电池采集程序流程图如图1所示。

图1 单体电池采集程序流程图

2.3 单体电池电压标定

TLP521光耦价格便宜，但在测量单体电池时会产生线性度不高等问题，无法满足在整个测量范围内的线性化为了提高测量的精度以及便于数据处理。电动汽车的单体电池大多在2.2～4.0 V之间。为了提高所测单体电池的精确度，我们对设计的采集电路进行标定。根据下表的光耦输入电压可以测出光耦的输出电压，此电压为输入核心处理器电压Vin=3.9 V。本次电压采集电路使用型号为TMS320F281的DSP作为核心处理器，A/D转换参考电压为3.3 V，采样精度为12位。则DSP的输出A/D值为如表1所示。

表1 检测电路实际值与标定值

采用数值计算中分段线性化技术，在合适的范围内，用一次线性化拟合处理，拟合出输入电压（所测单体电池电压）和所用中央处理器输出电压的一次关系式。找到可以利用的线性段，来满足测量2.0～4.1 V电压范围。本次标定以0.1 V为测量间距。TLP521线性度如表2所示。

根据上表的输入光耦的实际值和经过光耦后的输出电压可以得出两者的线性关系如图2所示。

通过对采集电路输入电压和标定点的关系图可以得出，R2>0.99，所以这是一个线性特征非常明显的实验模型，即说明拟合直线能够以大于99.99%地解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性，可以说明输入电压和标定电压的关系成一次线性关系。

图2 实际值与输出值线性关系表

3 实验验证

3.1 不同温度下输入电压与输出电压关系

在电路中所使用的TPL521-4芯片中的两个光耦的电路传输比不一定，分压情况不同，因此不同的温度会影响输入电压和DSP输出电压比。汽车级电子元件所要求的温度范围为-40～80℃，为了增加采集电路的数据精确度，测量在此温度范围内的DSP输出电压和通过标定后的显示电压，并对此进行误差分析及温度误差矫正。此次实验验证以10为间隔，测量在各个温度下的光耦输入电压分别与输入电压与现实电压的关系如表2和图3所示。

表2 在不同温度下光耦输入电压与输出电压值

图3 在不同温度下光耦输入电压与输出电压值关系表

在不同温度下对光耦输入电压与光耦输出电压的比较，可以得出温度会对光耦的传输比有一定影响。

在3.9V电压下，光耦输出电压平均值为M3.9V=2.735，可得出方差为D3.9V=0.000 868；3.3 V电压下，光耦输出电压平均值为M3.3V=2.150 V，可得出方差为D3.3V=0.000 916；在2.0 V电压下，光耦输出电压平均值为M2.0V=0.888 V，可得出方差为D2.0V=0.000 908。由计算方差可知，温度对光耦的传输比有一定影响，但其影响在合理范围内，满足汽车级误差要求。

3.2 误差计算

对采样电路进行标定后，再次对采样电路在不同温度下进行实验，选取了3.9 V、3.3 V和2.0 V 3个实际电压，记录不同温度下对应的显示值，并对显示电压的误差进行计算，如表3～表5所示。

表3 实际值3.9 V时电压显示

在不同温度下，采集板显示电压的误差在0.5%，误差精度为±0.002 V，满足其汽车级误差范围。

4 结 论

文中介绍了一种成本低，适用于工业生产的单体电池采集电路。首先，对采集电路的工作原理进行介绍，推算出采集电路的传递函数，为以后的应用铺垫了理论基础。然后，对采集电路进行标定，改善了由光耦传输比不一定造成的分压情况不同问题；最后，汽车级要求的温度下对采集电路进行了误差分析验证，其结果满足汽车工业要求。

此采集电路，使用低成本光耦器TLP521，大大降低了汽车电池管理系统的生产成本。同时，在单体电池的测量范围内，其输入电压与输出电压成线性关系，使测量能力更加稳定。

表4 实际值3.3 V时电压显示

参考文献：

[1]赵立勇.基于主动均衡的电池管理系统的研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[2]姜久春.电池管理系统概况和发展趋势[J].新产业材料，2007（8）：40-43.

[3]杨冰，王丽芳，廖承林.大规模电动汽车充电需求及影响因素[J].电工技术学报，2013（2）：22-27.

[4]郑文一，胡社教，牛朝，等.动力电池组主动均衡方案研究[J].电子测量与仪器学报，2014，28（7）:1-8.

[5]王顺利，李占锋，马有良，等.锂离子电池组实时均衡调节方法研究[J].电池工业，2014，19（1）:1-5.

[6]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社，2002.

[7]林成涛，王军平，陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].2004，34（5）:376-378.

[8]Kuhn B T，Pitel G E，Krein P T.Electrical properties and equalization of lithiumion cells in automotive applications[C]//Vehicle Power and Propulsion，2005 IEEE Conference.UK:IEEE，2005:55-59.

[9]陈勇军.磷酸铁锂电池建模及SOC算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[10]徐顺刚，钟其水，朱仁江.动力电池均衡充电策略研究[J].电机与控制学报，2012，32（3）:62-65.

[11]陈建清，沈汉鑫，缪传杰，等.一种能量转移型锂电池组均衡充电电路的设计[J].厦门大学学报，2010，49（6）:812-814.

[12]郑航波.新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现[D].北京：清华大学，2008.

[13]胡建明，陈渊睿.应用灰色理论预测混合动力汽车蓄电池的剩余容量[J].通信电源技术，2009，26（5）:54-58.

[14]Uno M，Tanaka K.Single-switch cell voltage equalizer using multitasked Buck-Boost converters operating indiscontinuous connected energy storage cells[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60（8）:3635-3645.

[15]EinhornM，RoesslerW，FleigJ.Improved performance of serially connected Li-ion batteries with active cell balancing in electric vehicles[J].IEEE Transactionson VehicularTechnology，2011，60（6）:2448-2457.

[16]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2007.

[17]陈勇军.磷酸铁锂电池建模及SOC算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[18]徐顺刚，钟其水，朱仁江.动力电池均衡充电策略研究[J].电机与控制学报，2012，32（3）：62-65.