一种单体电压“镜像”采集电路设计

胡 斌，李 琨，吴子昱，刘 洋

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.天津理工大学电气电子工程学院，天津300384)

电源系统是卫星中最重要的分系统之一，其在卫星全寿命期内为载荷提供稳定的能量来源，其性能直接影响卫星的功率能力和寿命两项关键指标。当前95%以上的卫星都采用太阳电池阵组合蓄电池组作为电源系统，而蓄电池组中单体电荷量失衡是运行过程中一个普遍的问题，这可能会导致非常严重的问题，如电能效率降低，易导致某个单体过充或过放，并存在爆炸等安全性风险[1-3]。单体电压检测是当前电池管理系统中必备的功能之一，其能够实时检测每节电池的电压，及时发现单体被过充或过放，进而采取一定的保护措施，提高电池组的安全性[4-6]。

传统电池单体电压采集的方法有飞电容法、电阻分压法、浮动地测量法等。飞电容法在电池数量较少时，可以采用普通的模拟开关，如CD405x 系列；当电池数量较多时，超出了模拟开关的输入范围，可以采用继电器做为开关，但继电器的开关速度和寿命会影响检测的速度，且继电压动作的时候有噪声；另外也可以采用光电MOS 继电器，但由于需要的MOS 继电器数量较大，成本较高[7]。电阻分压法，也称为共模电压法，受电阻精度影响，电压采集精度较低，而且容易产生累积误差；另外由于电阻网络造成串联电池组中每个电池的静态电流不一样，长期下去对电池组的一致性影响比较大，需要增加额外的电阻匹配电路来使得各单体静态电流趋于一致。浮动地测量法可以达到较高的测量精度,但是地电位经常受现场干扰发生变化，不能对地电位进行精确控制,影响整个系统的测量精度。

当前比较流行的电池组内的单体电压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]，售价较高，如在国内BMS 厂商广泛使用的LTC6804 芯片，其售价约150 元人民币，成本较高，并且需要满足最少的电池串联数(如LTC6804需要至少8 节电池级联)。

本文提出了一套能够支持任意节电池级联电压的采集电路，其通过电压映射的方式将有累计电压的单体电压映射到统一的电平，故可以直接用多路选择器和模数转换器直接采集任何一节单体的电压，且对每个单体的耗电较少，耗电一致性较高，不会造成电池不均衡。

1 采集电路设计

1.1 采集电路总体设计

采集电路的总体方案如图1所示。图中Cell1，Cell2，……CellN为N节串联在一起的电池单体，其各自的电压通过“电压映射电路”映射为统一电平的电压值。

图1 电池单体电压采集系统框图

假设各单体电压均为3 V，在左端因为电池为串联形式，其电压会不断累积，可以达到很高的电压值，故不能直接用AD 等元件进行电压采集。而“电压映射电路”连接至每个单体的两端，其只将单体自身电压进行映射，故右端得到的映射电压均为3 V。因此，通过模拟多路选择器之后，可以用一个AD 转换器对多个单体的电压进行采集。

1.2 电压映射电路设计

“电压映射电路”的内部电路如图2所示，图中的斜体字表示电路网络的名称。当时钟CLK(占空比为50%的方波)开启，电池组中的所有单体电池会通过变压器映射到变压器的次级。整个电路是在统一的时钟CLK 的驱动下进行工作，由于不同电池单体对应的电压映射电路所处的电平不同(即MOS 管的源极电压不同)，故在MOS 栅极的驱动电路中增加了电容C1和电阻R1，使得栅极电压能够跟随MOS 源极变化，且能够将CLK 的方波信号传递至栅极。

图2 电压映射电路原理图

此电压映射电路的工作过程分为两个阶段：一是CLK 信号为高，MOS 管闭合阶段；二是CLK 信号为低，MOS 管断开阶段。

(1)阶段1 的电路工作原理

当MOS 管Q1闭合，电池Celli通过变压器初级进行放电，变压器初级电感蓄能，由于变压器的初、次级的匝数比为1∶1，故在变压器的次级SAMPi映射出电池电压，且映射的电压是以“地”为参考的，由此可得：

此时VSAMPi不存在累计电压，电压范围在0～5 V 之间，故可以通过后续的模拟多路选择器和AD 转换器进行电压采集。

(2)阶段2 的电路工作原理

当MOS 管Q1关闭，电池的负端与变压器初级断开，而初级电感中电流不能突变，储存在电感中的能力转移至电容C2，电容C2右侧的极板Mi电压升高。当电感中电流变为0，Mi电压高于电池正端电压，故电容通过电感向电池充电，当电容完全放电，Mi电压恢复到电池负端电压，MOS 管将又一次开启，进入下一个周期。

1.3 电压映射中的误差修正

当电池与电池采样电路的连线较长，其寄生电阻(Rxi)不能忽略，同时考虑到变压器绕组的电阻(RLia、RLib)和MOS 管导通的电阻(Rmosi)，故上述电路可以在MOS 导通时得到如图3所示的等效电路。

图3 考虑寄生电阻后的等效电路图

当所有的MOS 管同时关闭和开启时，各支路中的电流(I1，I2，I3，……，IN)是相同的。当以MOS 管刚刚开启的时刻作为0 时刻，则在时刻t支路中电流为：

根据图3所示，在非最低或最高的电池单体对应的连接线中，上下相邻两个回路中电流可能相互抵消，故线缆寄生电阻对非最低或最高的电池单体的电压采样影响较小，采样精度基本只受MOS 管导通电阻Rmosi和电感寄生电阻RLia影响。

而位于电池组最上端或最下端的电池，其回路中有一组线缆寄生阻抗上的电流无法和相邻的单体进行抵消，故其采样电压的表达式如下：

因此在进行参数修正时，第1 节、第N节和其他节电池单体要用不同的修正公式。

2 仿真及测试结果

利用Saber 软件仿真了支持3 节单体的电压映射电路，仿真的原理图如图4所示，其中电池引线电阻设为1 mΩ，变压器初级侧寄生电阻为10 mΩ，MOS管的导通电阻约为20 mΩ。

图4 电压映射电路仿真图

图5 为仿真得到了三个MOS 管栅极的波形(Vclk1，Vclk2，Vclk3)，其电位根据源极(连接至不同的电池根部)而出现差异。

图5 隔直电容后的波形

在仿真中，为了验证对电池电压的采样精度，将三节电池的电压分别设定为Vcell1=3.6 V，Vcell2=3.7 V，Vcell3=3.8 V。经过仿真，得到在变压器次级线圈节点(samp1，samp2，samp3)的波形如图6所示，其获得的映射电池电压分别为Vsamp1=3.601 9 V，Vsamp2=3.699 3 V，Vsamp3=3.798 3 V，与电池本身电压的误差都小于3 mV。

图6 变压器次级波形图

为了进一步验证电路的可行性，课题组制作了支持12 节电池电压采样的电路板，图7 为实物的照片。

图7 电池电压采样电路板照片

图8 给出了用示波器测试的关键节点的波形。

图8 电路中关键点的波形图

表1 给出了12 节电池采样的测试结果，其中测量值是使用自行设计的电路板采样得到的电池电压，真实值是使用高精度台式万用表测量的电池电压，两者的最大误差在1.2 mV，完全满足一般电池管理系统对电池电压采样精度的需求。

表1 单体电压采样精度测试 mV

3 总结

本论文设计了一套支持任意节电池串联的单体电压采集方案，此方案对电池的耗能较小，且对每节电池耗能均匀，不会引发电池的不一致性。并且控制电路的时序简单，不需要对采集电压再进一步进行折算，因此本方案适合于在卫星电源系统中应用。论文还深入研究了电压采样误差的来源，并给出了相应的修正的方法。经电路仿真和实物测试，此套方案的电压采集精度能够达到3 mV 以内，完全满足普通电池管理系统的要求。