一種單體電壓“鏡像”采集電路設計

胡 斌，李 琨，吳子昱，劉 洋

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.天津理工大學電氣電子工程學院，天津300384)

電源系統(tǒng)是衛(wèi)星中最重要的分系統(tǒng)之一，其在衛(wèi)星全壽命期內(nèi)為載荷提供穩(wěn)定的能量來源，其性能直接影響衛(wèi)星的功率能力和壽命兩項關(guān)鍵指標。當前95%以上的衛(wèi)星都采用太陽電池陣組合蓄電池組作為電源系統(tǒng)，而蓄電池組中單體電荷量失衡是運行過程中一個普遍的問題，這可能會導致非常嚴重的問題，如電能效率降低，易導致某個單體過充或過放，并存在爆炸等安全性風險[1-3]。單體電壓檢測是當前電池管理系統(tǒng)中必備的功能之一，其能夠?qū)崟r檢測每節(jié)電池的電壓，及時發(fā)現(xiàn)單體被過充或過放，進而采取一定的保護措施，提高電池組的安全性[4-6]。

傳統(tǒng)電池單體電壓采集的方法有飛電容法、電阻分壓法、浮動地測量法等。飛電容法在電池數(shù)量較少時，可以采用普通的模擬開關(guān)，如CD405x 系列；當電池數(shù)量較多時，超出了模擬開關(guān)的輸入范圍，可以采用繼電器做為開關(guān)，但繼電器的開關(guān)速度和壽命會影響檢測的速度，且繼電壓動作的時候有噪聲；另外也可以采用光電MOS 繼電器，但由于需要的MOS 繼電器數(shù)量較大，成本較高[7]。電阻分壓法，也稱為共模電壓法，受電阻精度影響，電壓采集精度較低，而且容易產(chǎn)生累積誤差；另外由于電阻網(wǎng)絡造成串聯(lián)電池組中每個電池的靜態(tài)電流不一樣，長期下去對電池組的一致性影響比較大，需要增加額外的電阻匹配電路來使得各單體靜態(tài)電流趨于一致。浮動地測量法可以達到較高的測量精度,但是地電位經(jīng)常受現(xiàn)場干擾發(fā)生變化，不能對地電位進行精確控制,影響整個系統(tǒng)的測量精度。

當前比較流行的電池組內(nèi)的單體電壓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]，售價較高，如在國內(nèi)BMS 廠商廣泛使用的LTC6804 芯片，其售價約150 元人民幣，成本較高，并且需要滿足最少的電池串聯(lián)數(shù)(如LTC6804需要至少8 節(jié)電池級聯(lián))。

本文提出了一套能夠支持任意節(jié)電池級聯(lián)電壓的采集電路，其通過電壓映射的方式將有累計電壓的單體電壓映射到統(tǒng)一的電平，故可以直接用多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接采集任何一節(jié)單體的電壓，且對每個單體的耗電較少，耗電一致性較高，不會造成電池不均衡。

1 采集電路設計

1.1 采集電路總體設計

采集電路的總體方案如圖1所示。圖中Cell1，Cell2，……CellN為N節(jié)串聯(lián)在一起的電池單體，其各自的電壓通過“電壓映射電路”映射為統(tǒng)一電平的電壓值。

圖1 電池單體電壓采集系統(tǒng)框圖

假設各單體電壓均為3 V，在左端因為電池為串聯(lián)形式，其電壓會不斷累積，可以達到很高的電壓值，故不能直接用AD 等元件進行電壓采集。而“電壓映射電路”連接至每個單體的兩端，其只將單體自身電壓進行映射，故右端得到的映射電壓均為3 V。因此，通過模擬多路選擇器之后，可以用一個AD 轉(zhuǎn)換器對多個單體的電壓進行采集。

1.2 電壓映射電路設計

“電壓映射電路”的內(nèi)部電路如圖2所示，圖中的斜體字表示電路網(wǎng)絡的名稱。當時鐘CLK(占空比為50%的方波)開啟，電池組中的所有單體電池會通過變壓器映射到變壓器的次級。整個電路是在統(tǒng)一的時鐘CLK 的驅(qū)動下進行工作，由于不同電池單體對應的電壓映射電路所處的電平不同(即MOS 管的源極電壓不同)，故在MOS 柵極的驅(qū)動電路中增加了電容C1和電阻R1，使得柵極電壓能夠跟隨MOS 源極變化，且能夠?qū)LK 的方波信號傳遞至柵極。

圖2 電壓映射電路原理圖

此電壓映射電路的工作過程分為兩個階段：一是CLK 信號為高，MOS 管閉合階段；二是CLK 信號為低，MOS 管斷開階段。

(1)階段1 的電路工作原理

當MOS 管Q1閉合，電池Celli通過變壓器初級進行放電，變壓器初級電感蓄能，由于變壓器的初、次級的匝數(shù)比為1∶1，故在變壓器的次級SAMPi映射出電池電壓，且映射的電壓是以“地”為參考的，由此可得：

此時VSAMPi不存在累計電壓，電壓范圍在0～5 V 之間，故可以通過后續(xù)的模擬多路選擇器和AD 轉(zhuǎn)換器進行電壓采集。

(2)階段2 的電路工作原理

當MOS 管Q1關(guān)閉，電池的負端與變壓器初級斷開，而初級電感中電流不能突變，儲存在電感中的能力轉(zhuǎn)移至電容C2，電容C2右側(cè)的極板Mi電壓升高。當電感中電流變?yōu)?，Mi電壓高于電池正端電壓，故電容通過電感向電池充電，當電容完全放電，Mi電壓恢復到電池負端電壓，MOS 管將又一次開啟，進入下一個周期。

1.3 電壓映射中的誤差修正

當電池與電池采樣電路的連線較長，其寄生電阻(Rxi)不能忽略，同時考慮到變壓器繞組的電阻(RLia、RLib)和MOS 管導通的電阻(Rmosi)，故上述電路可以在MOS 導通時得到如圖3所示的等效電路。

圖3 考慮寄生電阻后的等效電路圖

當所有的MOS 管同時關(guān)閉和開啟時，各支路中的電流(I1，I2，I3，……，IN)是相同的。當以MOS 管剛剛開啟的時刻作為0 時刻，則在時刻t支路中電流為：

根據(jù)圖3所示，在非最低或最高的電池單體對應的連接線中，上下相鄰兩個回路中電流可能相互抵消，故線纜寄生電阻對非最低或最高的電池單體的電壓采樣影響較小，采樣精度基本只受MOS 管導通電阻Rmosi和電感寄生電阻RLia影響。

而位于電池組最上端或最下端的電池，其回路中有一組線纜寄生阻抗上的電流無法和相鄰的單體進行抵消，故其采樣電壓的表達式如下：

因此在進行參數(shù)修正時，第1 節(jié)、第N節(jié)和其他節(jié)電池單體要用不同的修正公式。

2 仿真及測試結(jié)果

利用Saber 軟件仿真了支持3 節(jié)單體的電壓映射電路，仿真的原理圖如圖4所示，其中電池引線電阻設為1 mΩ，變壓器初級側(cè)寄生電阻為10 mΩ，MOS管的導通電阻約為20 mΩ。

圖4 電壓映射電路仿真圖

圖5 為仿真得到了三個MOS 管柵極的波形(Vclk1，Vclk2，Vclk3)，其電位根據(jù)源極(連接至不同的電池根部)而出現(xiàn)差異。

圖5 隔直電容后的波形

在仿真中，為了驗證對電池電壓的采樣精度，將三節(jié)電池的電壓分別設定為Vcell1=3.6 V，Vcell2=3.7 V，Vcell3=3.8 V。經(jīng)過仿真，得到在變壓器次級線圈節(jié)點(samp1，samp2，samp3)的波形如圖6所示，其獲得的映射電池電壓分別為Vsamp1=3.601 9 V，Vsamp2=3.699 3 V，Vsamp3=3.798 3 V，與電池本身電壓的誤差都小于3 mV。

圖6 變壓器次級波形圖

為了進一步驗證電路的可行性，課題組制作了支持12 節(jié)電池電壓采樣的電路板，圖7 為實物的照片。

圖7 電池電壓采樣電路板照片

圖8 給出了用示波器測試的關(guān)鍵節(jié)點的波形。

圖8 電路中關(guān)鍵點的波形圖

表1 給出了12 節(jié)電池采樣的測試結(jié)果，其中測量值是使用自行設計的電路板采樣得到的電池電壓，真實值是使用高精度臺式萬用表測量的電池電壓，兩者的最大誤差在1.2 mV，完全滿足一般電池管理系統(tǒng)對電池電壓采樣精度的需求。

表1 單體電壓采樣精度測試 mV

3 總結(jié)

本論文設計了一套支持任意節(jié)電池串聯(lián)的單體電壓采集方案，此方案對電池的耗能較小，且對每節(jié)電池耗能均勻，不會引發(fā)電池的不一致性。并且控制電路的時序簡單，不需要對采集電壓再進一步進行折算，因此本方案適合于在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中應用。論文還深入研究了電壓采樣誤差的來源，并給出了相應的修正的方法。經(jīng)電路仿真和實物測試，此套方案的電壓采集精度能夠達到3 mV 以內(nèi)，完全滿足普通電池管理系統(tǒng)的要求。