【導(dǎo)讀】分布式電池監(jiān)測系統(tǒng)具有應(yīng)用廣泛,可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn); CAN總線具有傳輸速率高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，將二者結(jié)合應(yīng)用，典型電池監(jiān)測與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：典型電池監(jiān)測與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
其中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集單元即電池監(jiān)測模塊。
監(jiān)測模塊的功能定義
功能實(shí)現(xiàn)的前提是在不影響或?qū)﹄姵匦阅苡绊懶〉娇梢院雎缘幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，離開這個前提則監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)會失去意義，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中往往是多個電池串連在一起應(yīng)用，一個電池的失效必然導(dǎo)致整個電池包出問題。
監(jiān)測模塊將在上述前提下實(shí)現(xiàn)下列功能：
接受上層控制器的控制；
實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的采集，準(zhǔn)確反應(yīng)電池的物理參數(shù)，如電壓，溫度；
將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上層控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
監(jiān)測模塊要達(dá)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(yōu)于0.5%, -40℃～85℃優(yōu)于1%。
溫度采樣
溫度采集精度±2℃，-40℃~85℃。
監(jiān)測模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖2所示，虛線框部分為監(jiān)測模塊基本結(jié)構(gòu)。
圖2：虛線框部分為監(jiān)測模塊基本結(jié)構(gòu)
基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路，作用是處理來自整車的控制信號，典型如點(diǎn)火信號等，可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)；電源電路和主芯片電路，作用是給低壓回路供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模塊的控制邏輯與數(shù)據(jù)處理；通訊電路，作用是與上層控制器以及下層的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行通訊，典型上層通訊電路采用CAN協(xié)議通訊，下層電路采用SCISPI，I2C等。
隔離電路包括：控制隔離電路，作用是實(shí)現(xiàn)低壓對高壓控制電路的隔離；電源隔離電路，作用是實(shí)現(xiàn)低壓電源到高壓電源的隔離控制；通訊隔離電路，作用是實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)工作提供電源，同時(shí)對處理后的信號進(jìn)行采樣處理，將模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；通訊電路，作用為將處理好的數(shù)字信號發(fā)送出去，同時(shí)接受低壓回路的控制指令。
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
以僅采集電壓和溫度為例說明本監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
低壓回路：使用MC9S08DZ60實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化為+5V電壓，采用芯片TLE4275G 實(shí)現(xiàn)；通訊電路采用CAN和SPI 的通訊方式。
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隔離電路：采用光電隔離繼電器(PhotoMos Relay) 實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)采用后者去實(shí)現(xiàn)；通訊電路采用光耦或通訊隔離芯實(shí)現(xiàn)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(yùn)放加阻容的方式實(shí)現(xiàn)電壓信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)理，采用NTC 熱敏電阻加分壓電路實(shí)現(xiàn)溫度信號的轉(zhuǎn)換；采用高壓到低壓的電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)高壓控制回路的供電；采用帶SPI 接口的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD7888實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)傳送出去。電壓調(diào)理電路、溫度調(diào)理電路、AD7888應(yīng)用電路分別如圖3、圖4和圖5所示。
圖3：電壓調(diào)理電路
圖4：溫度調(diào)理電路
圖5：AD7888應(yīng)用電路
對電池性能的影響分析
上述的方案設(shè)計(jì)中，在監(jiān)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(yùn)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(nèi)，如果電池監(jiān)測模塊高壓側(cè)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(shí)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(jì)，非常容易在充電時(shí)補(bǔ)回；由于高壓部分的用電對每個監(jiān)測模塊都是一樣的，同時(shí)高壓部分的用電來自電池模塊組成的串聯(lián)總電壓，因此監(jiān)測模塊對每個電池組的用電負(fù)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(shí)，由于隔離器件PhotoMos Relay在不工作時(shí)最惡劣的情況下通過的最大漏電流控制在1mA及以下，對于6Ah的電池，在最惡劣的情況下10年的監(jiān)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于電池本身的自放電水準(zhǔn)(通常在環(huán)境較好的情況下，性能優(yōu)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(yīng)用需要。
系統(tǒng)性能
電壓檢測：在如20Ｖ滿量程的情況下，使用12位A/D轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)4.9mV(20V/4096)的分辨率，采用誤差校正后可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.01Ｖ的檢測精度。
溫度檢測：取決于溫度傳感器性能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)以及改進(jìn)
系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：1、實(shí)現(xiàn)較高的采樣速率，因?yàn)閿U(kuò)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(diào)理所允許的信號帶寬以及ADC的采樣速率，當(dāng)前電子技術(shù)的發(fā)展使這兩項(xiàng)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(xì)節(jié)，并滿足電池?cái)?shù)據(jù)采集需要。2、由于采用了電壓隔離的措施，高壓側(cè)對低壓側(cè)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(shí)現(xiàn)ＤＣ高達(dá)1000V的隔離。3、由于低壓側(cè)和高壓側(cè)完全沒有聯(lián)系，因此它消除了巨大(可能高達(dá)幾百伏)共模電壓的影響，降低了設(shè)計(jì)的難度。
系統(tǒng)缺點(diǎn)：由于每塊監(jiān)測模塊均帶有一片微處理器芯片，整車電氣系統(tǒng)每增加一塊監(jiān)測模塊將增加一塊微處理器的成本，從而增加了監(jiān)測模塊在整車應(yīng)用的成本。
可能的改進(jìn)：將隔離控制電路的邏輯功能集成在高壓側(cè)實(shí)現(xiàn)，使監(jiān)測模塊出來的數(shù)字信號直接送給上層的控制器，降低系統(tǒng)成本。
