混合動力電池監測模塊

摘要：提出了一種電池監測模塊的結構設計，特征在于結構靈活，易于設計、實現并達到較高的性能，適用于混合動力、燃料電池、純電動汽車分布式系統的電池檢測。

關鍵詞：電池監測；隔離；分布式；溫度和電壓采集

引言

分布式電池監測系統具有應用廣泛，可擴展的優點；CAN總線具有傳輸速率高、可靠性好的優點，將二者結合應用，典型電池監測與管理系統結構如圖1所示。

其中遠程數據采集單元即電池監測模塊。

監測模塊的功能定義

功能實現的前提是在不影響或對電池性能影響小到可以忽略的基礎上實現，離開這個前提則監測模塊的設計會失去意義，因為在實際應用中往往是多個電池串連在一起應用，一個電池的失效必然導致整個電池包出問題。

監測模塊將在上述前提下實現下列功能：

·接受上層控制器的控制；

·實現電池數據的采集，準確反應電池的物理參數，如電壓，溫度，

·將采集到的數據傳送給上層控制器，實現數據共享。

監測模塊要達到的物理性能

在采樣速率＞10khz的情況下，

·電壓采樣

電壓采集精度25℃優于0.5％，-40℃～85℃優于1％。

·溫度采樣

溫度采集精度±2℃，-40℃～85℃。

監測模塊系統結構

如圖2所示，虛線框部分為監測模塊基本結構。

基本結構共由三大部分組成：低壓回路、隔離電路、高壓回路。它們各自又由三部分組成：

低壓回路包括：信號處理與轉換電路，作用是處理來自整車的控制信號，典型如點火信號等，可以根據不同的應用要求設計；電源電路和主芯片電路，作用是給低壓回路供電，同時實現監測模塊的控制邏輯與數據處理，通訊電路，作用是與上層控制器以及下層的數據采集部分進行通訊，典型上層通訊電路采用CAN協議通訊，下層電路采用SCI\\SPI，12C等。

隔離電路包括：控制隔離電路，作用是實現低壓對高壓控制電路的隔離；電源隔離電路，作用是實現低壓電源到高壓電源的隔離控制；通訊隔離電路，作用是實現高、低壓通訊電路電平的隔離并保證正常通訊。

高壓回路包括：信號處理，作用是將電池包的電池模塊信號、溫度傳感器以及其他信號轉化為可以直接采樣的電信號；電源和采樣電路，作用是為高壓系統工作提供電源，同時對處理后的信號進行采樣處理，將模擬信號轉化為電壓信號；通訊電路，作用為將處理好的數字信號發送出去，同時接受低壓回路的控制指令。

設計實現

以僅采集電壓和溫度為例說明本監測模塊的設計實現。

低壓回路：使用MC9S08DZ60實現控制邏輯，電源由外部12V蓄電池提供；電源電路作用為將蓄電池電壓轉化為+5V電壓，采用芯片TLE4275G實現；通訊電路采用CAN和SPI的通訊方式。

隔離電路：采用光電隔離繼電器(PhotoMos Relay)實現控制信號的隔離；電源的隔離可以采用隔離電源，也可以采用直接從高壓取電低壓控制隔離的方式，設計采用后者去實現，通訊電路采用光耦或通訊隔離芯實現高壓回路通訊電路和低壓回路的通訊連接。

高壓回路：采用運放加阻容的方式實現電壓信號的轉換和調理，采用NTC熱敏電阻加分壓電路實現溫度信號的轉換；采用高壓到低壓的電源轉換芯片實現高壓控制回路的供電，采用帶SPI接口的12位A/D轉換器AD7888實現模擬信號到數字信號的轉換并將數據傳送出去。電壓調理電路、溫度調理電路、AD7888應用電路分別如圖3、圖4和圖5所示。

對電池性能的影響分析

上述的方案設計中，在監測模塊高壓回路部分正常工作后，由于AD7888的耗電最大僅為3mW，運放，隔離器件的耗電也僅為幾個mW，因此整個高壓回路的耗電功耗可保持50mW以內，如果電池監測模塊高壓側電壓為48V，則折算到高壓端的電流僅為2mA左右。這對于電池工作時的動輒幾十A的電流所造成的功耗來說幾乎可以忽略不計，非常容易在充電時補回；由于高壓部分的用電對每個監測模塊都是一樣的，同時高壓部分的用電來自電池模塊組成的串聯總電壓，因此監測模塊對每個電池組的用電負荷也都是一樣的，從高壓部分的取電不會造成電池的一致性不好，而在電路不工作時，由于隔離器件PhotoMos Relay在不工作時最惡劣的情況下通過的最大漏電流控制在1μA及以下，對于6 Ah的電池，在最惡劣的情況下10年的監測模塊自放電造成的額外容量損失僅為1.46％(1e-6×24×365×10/6)，遠遠低于電池本身的自放電水準(通常在環境較好的情況下，性能優異的電池1年自放電>25％)，因此可以放心長期使用，滿足汽車／轎車應用需要。系統性能

電壓檢測：在如20V滿量程的情況下，使用12位A/D轉換器可實現4.9mV(20V/4096)的分辨率，采用誤差校正后可實現優于0.01V的檢測精度。

溫度檢測：取決于溫度傳感器性能。

系統結構優缺點以及改進

系統具備以下優點：1、實現較高的采樣速率，因為擴展了外部ADC，影響速度的主要因素將僅集中在高壓回路中信號調理所允許的信號帶寬以及ADC的采樣速率，當前電子技術的發展使這兩項均可以輕松作到10kHz以上，這意味著測試短暫到0.1ms以上的瞬間電壓變化，因此可測量到電壓變化的具體細節，并滿足電池數據采集需要。2、由于采用了電壓隔離的措施，高壓側對低壓側的影響可以忽略。高壓和低壓完全隔離，隔離性能僅取決于于隔離器件的性能，使用典型如光耦等可實現DC高達1000V的隔離。3、由于低壓側和高壓側完全沒有聯系，因此它消除了巨大(可能高達幾百伏)共模電壓的影響，降低了設計的難度。

系統缺點：由于每塊監測模塊均帶有一片微處理器芯片，整車電氣系統每增加一塊監測模塊將增加一塊微處理器的成本，從而增加了監測模塊在整車應用的成本。

可能的改進：將隔離控制電路的邏輯功能集成在高壓側實現，使監測模塊出來的數字信號直接送給上層的控制器，降低系統成本。