基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計

尤文艷，金鵬，肖力

（北方工業大學，北京 100144）

引 言

隨著人們環保意識的增強以及能源的日趨緊張，鋰電池的電動汽車受到國家和民眾的廣泛關注。為確保鋰電池安全使用，電動汽車在使用時都會配備一套電池管理系統。針對電動汽車電池管理系統而言，又以前端數據采集、電池均衡管理、SoC電量計量、實時通信以及電池絕緣監測最為關鍵。其中，前端數據采集最為基礎。然而，在電池數據采集系統中，需要解決的一個共性問題就是多個電池串聯使用時高電壓、測量系統等問題有可能會引起危險。為了排除這些危險，在電池數據采集系統中要用到隔離電路。進行現場測量時，也會有各種電磁干擾信號迭加在有用的被測信號上，會使測量的準確度降低。為了保證系統工作的安全性，并且減少環境噪聲對測試電路的影響，往往將被測電路與測試電路進行隔離，這就需要用到光電耦合器。

1 系統設計方案

電池管理系統的主要工作原理可簡單歸納為：首先數據采集電路采集電池狀態信息數據，再由單片機進行數據處理和分析，然后根據分析結果對系統內的相關功能模塊發出控制指令，并向外界傳遞信息。電池管理系統中最為重要的就是如何把數據采集到單片機中。

電池管理系統有集中式和分布式。分布式電池管理系統方案是指為每節電池配備一個子模塊，每一個子模塊能單獨完成電池電壓、溫度采集，隔離，A／D轉換以及通信等功能。分布式電池管理系統結構框圖如圖1所示。

圖1 分布式電池管理系統結構框圖

在電動汽車系統中，數據采集是整個電池管理系統的基礎和關鍵，尤其是對于鋰電池而言，采集的精度和速度對電池的使用壽命乃至整個系統的安全可靠運行至關重要。采集的數據主要包括：各電池電壓值、總電壓值、充放電電流值以及溫度信息。其中電壓采集除了有以上作用外，還涉及到電池均衡的方面，所以電壓采集是數據采集中的重中之重。圖2為單體鋰電池電壓采集系統結構框圖。其中，差分電路將單體鋰電池的電壓轉換成單端的電壓信號，使用隔離電路是為了確保系統的安全性，電壓跟隨電路使得信號不衰減地傳輸到后級電路中，最后進入A／D轉換并傳送至MCU。

圖2 單體鋰電池電壓采集系統結構框圖

2 基于HCNR201的電壓采集電路

2.1 電壓采集電路

目前有很多用于鋰電池電壓采集的方法，如電阻分壓法和鋰電池管理系統專用芯片法等。由于單體鋰電池數據采集系統只采集單體電池的電壓，故直接將電池兩端的電壓進行差分即可。電壓采集電路如圖3所示。AQW214為高性能和經濟型兼備的半導體繼電器，用其來斷開電池與測量電路，使得電池電壓采集系統不工作時不會通過測量電路漏電。除此之外，AQW214也充當了保護電路的角色，因其開路時的漏電流極小，所以開關斷開時不會威脅到電路的準確性和安全性。

圖3 電壓采集電路

2.2 基于HCNR201的電壓隔離電路

HCNR201是美國Agilent公司推出的一款高精度線性光耦，具有低成本、低非線性度（0.01%）、高穩定度、頻帶寬（＞1MHz）、設計靈活的優點。通過外接不同分立器件，方便實現多種光電隔離轉換電路。HCNR201由高性能發光二極管LED及具有嚴格比例關系的光電二極管PD1和PD2構成，HCNR201原理圖如圖4所示。LED發出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于產生輸出電流；PD1用于伺服回授機制上，對發光LED的導通電流予以補償，改善輸入與輸出電路間的線性和溫度特性。這種結構保證了線性光耦的高穩定性和高線性度。

圖4 HCNR201原理圖

電壓隔離電路如圖5所示。電路實現信號與系統隔離及線性測量雙重功能，主要由HCNR201及運放構成。工作原理：LED、PD1、Q1及運放U1等組成測量電路的輸入部分并形成負反饋，U2、PD2等構成電路的輸出部分；當輸入電壓變化時，在運放U1的作用下，LED電流IF隨著調整；光耦的物理結構決定PD1與LED成線性比例，所以流過PD1的電流IPD1跟隨著輸入電壓變化；又PD2與PD1成嚴格比例關系，同樣IPD2跟隨輸入電壓變化，通過運放U2及電位器R1將IPD2轉換成輸出電壓，最終實現輸出電壓與輸入電壓的精密線性關系。補償電容C1及C2用于改進電路穩定性、減小電路輸出噪聲及限制電路的工作帶寬于10kHz左右內；二極管D1起續流作用，防止LED完全關斷時過高反壓加在LED兩端。

圖5 電壓隔離電路

2.3 實驗分析

在確定具體的參數后搭建電路，并對該電路進行驗證。前端輸入電壓由微機電源經可變電阻分壓后提供，電路的輸入／輸出電壓經萬用表測量后得出相應數據。隔離前后輸入／輸出電壓的比較如表1所列。

由表1中的數據可以得到通過Matlab繪出的實際圖形。輸入／輸出電壓及其最小二乘擬合直線如圖6所示。其中“□”表示理想狀態下的數據點，“＊”表示實測所對應的數據點，連線是最小二乘法對所測數據進行的擬合直線，該擬合直線的方程為y＝0.9969x＋0.0091，其最佳斜率為0.9969。

根據相對誤差的定義，即測量的絕對誤差與被測量真值之比乘以100%所得的數值，其定義式為δ＝△／L×100%。其中δ為相對誤差（一般用百分數給出）；△為絕對誤差；L為被測量真值。所以得到這組數據的相對誤差的平均值為0.5%。

按照定義，擬合直線的線性度（即非線性誤差）為測量曲線與擬合直線的最大偏差和滿量程輸出的百分比，由Matlab可以得到該電路的非線性誤差為0.02%。

線性光耦HCNR201的理想非線性誤差為0.01%，而實際隔離電路的非線性誤差為0.02%，原因主要有以下幾點：

①電源誤差。實驗過程中隔離前后的供電電源是由兩臺微機電源提供，微機電源本身提供的電壓±15V是存在偏差的。

②其他器件誤差。組成該隔離電路的器件的非線性度、穩定性以及精確度也影響了電路的線性度。

③環境影響。實驗過程中環境因素對電路中其他器件的影響，如溫濕度對器件溫漂的影響等。

根據上述原因，改善的措施有：

①供電電源由DC－DC電源模塊來提供，DC－DC具有電源效率高、發熱量小、輸出電壓穩定和紋波小等特點。

表1 隔離前后輸入／輸出電壓的比較

圖6 輸入／輸出電壓及其最小二乘擬合直線

②更改組成隔離電路的器件。例如，可以采用精密的OP－97類型的運算放大器，能夠提供pA級的偏置電流和mV級的偏移電壓；另外，根據HCNR201的數據手冊，可以在運算放大器和光電二極管的輸入端用開爾文連接法來連接，以確保電路的精確度。

3 方案改進

3.1 改變供電電源

下面改變電路的供電電源對電路進行驗證，用2個由24V轉換為±15V的DC－DC來為該隔離電路進行供電，改變供電電源時隔離前后輸入／輸出電壓的比較如表2所列。

表2 改變供電電源時隔離前后輸入／輸出電壓的比較

從表2中可以看出，通過使用DC－DC為電路供電后，輸入電壓和輸出電壓之間的誤差已經大大減小。經改進后的數據的相對誤差的平均值為0.3%，其非線性誤差改變不明顯，說明改變供電電源對電路的線性度影響不大，所以采取另外一種方法——替換電路中的運算放大器，來驗證電路的線性度能不能大幅提升。

3.2 更換器件

考慮到改變DC－DC仍然不能大大縮短隔離電路的非線性誤差和器件線性度的距離，采用OP27的運放來代替TL082，OP27是具有低噪聲、低漂移、高速、高開環增益和高性能等特點的超低噪聲精密單運放，用其替代運算放大器TL082后得到的數據如表3所列。

經實驗證明，用運算放大器OP27替換電路中的TL082使得輸入電壓和輸出電壓之間的誤差大大減小，利用這組數據經Matlab可以進行直線擬合，并能夠得到擬合直線的斜率、截距以及線性度（即非線性誤差）等。其中，該擬合直線的斜率為0.999 7，截距為0.000 41，其非線性誤差為0.015%。由表3可知電路的誤差已經非常小，并且考慮到若干元件構成電路時非線性誤差會增大，所以該電路的線性度已經比較理想了。

表3 更換器件后隔離前后輸入／輸出電壓的比較

結 語

由上述實驗中的數據及圖形可以得出，由HCNR201及其外圍器件組成的隔離電路由于受到供電電源誤差、其他器件誤差以及環境因素的影響而導致電路線性度不理想的情況可以改善。通過將供電電源由微機電源更換為DC－DC電源，以及將其他器件更換為精密器件來提高隔離電路的線性度和精度。同時，經現場使用證明，本文給出的電壓測量電路能夠對電動汽車中的鋰電池進行安全、準確的電壓采集，也充分利用了光耦繼電器AQW214的各個特點；基于線性光耦HCNR201的電壓隔離電路實現了高穩定性和線性度的信號隔離，因此，該電路也可廣泛地應用在各數據采集的輸入／輸出電路中。

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