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(多图) 电动汽车电池管理系统的多路电压采集电路设计

来源:电子设计应用/作者:清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室 卢居霄 黄文华 陈全世?? 2007年09月18日 ?? 收藏0

  其仿真波形的每个方波的上升沿和下降沿都有一个小尖峰,将波形放大后得到尖峰的峰值为500mV。分析产生尖峰的原因有以下两点:

  1. 回路中感性元件的影响

  一般电路中导线都有感性, 发生变化时,电路中的感性元件会产生感应电动势,可能会引起电路中的尖峰。搭建如图3的模型,通过改变电感的感抗分析感性元件对电路的影响。

  通过仿真可得,电感感抗为4.7 mH电路的尖峰峰值为500mV,而100 mH感抗电路的尖峰峰值为3V左右。进行多组仿真可以得到:电路中电感感抗越大,尖峰的峰值越高。

  2. 三极管开关时间特性的影响

  每个回路中有PNP和NPN两个三极管,而这对三极管的导通时间的差异对尖峰的产生也有影响。

  如图4所示,分析单路中两个三极管导通的过程。当两个三极管的导通时间不同时,如果一个三极管处于导通状态,而另外一个尚未导通,此时UOUT和GND中一端由于三极管导通而与输入电压(U1或U2)电位相同,而另一端则由于三极管没有导通而处于未知电平状态,如果此未知电平小于输入低电平,则可能在三极管导通的瞬间产生尖峰。在两个三极管关闭的时候亦然。

导通电路

图4 导通电路

  在图3搭建的模型中,观测回路中NPN三极管两端的波形,当NPN三极管关闭时,三极管的ce两极有-250mV的压降,而三极管导通时,ce两极间有250mV的压降。由此可知在图4中,三极管关闭时B点与GND之间存在250mV的压降,从而在Q1导通而Q2未导通时,UOUT-GND间电压比U1-U2间电压高250mV,通过以上分析,在Q2导通时,会产生250mV的尖峰。

  对于单路电路来说,三极管开关特性影响的数值是定值,为0.25V。在图4中可以看到,当电感感抗为100mH时,电路的峰值为3V,可知电路中感性元件对电路的影响占主导地位。

  多路仿真

  多路仿真模型如图5所示。

多路仿真模型

图5 多路仿真模型

  模型共有4路通道,每路电压为12V,采用电流开关控制采集通道的选通,控制电路为74LS138片选芯片。片选的三个输入端是频率为1000Hz、500Hz和250Hz的脉冲信号

,这样,在输出端从Y0到Y7依次产生低电平信号,模型选用其中4路作为电流开关的控制信号。

  当模型的第1路开通时,输出波形有比较明显的尖峰(峰值为10V左右)。而在其他路开通时,输出波形的尖峰比较小(峰值为1V左右)。而由单路仿真可知,电路中由感抗引起的尖峰一般不会到10V。

  观察第1路PNP管上的波形,见图6。图中,位置靠下的曲线为c极的波形(图7中B点的波形),位置靠上的曲线为e极的波形(图7中A点的波形)。从图中可以看出,在所有4路三极管都关闭的时刻,输出点B的电压比输入点A低24V左右,即D点电压低于A点24V左右(三极管关断时B、D两点电压相同,参见图6)。当PNP管的导通时间比NPN管短时,图7中通路打开前A点电压高于D点24V左右,当PNP管导通而NPN管还没有导通的时候,输出回路的压降UBD为24V,而当NPN管导通形成回路以后,要求输出压降下降到电池输入两端的电压值,即12V,此时,输出回路经过放电达到要求,而产生第1路导通时刻的尖峰。

第1路PNP三极管两端的波形

图6 第1路PNP三极管两端的波形

第1路仿真模型

图7 第1路仿真模型

  由于电路是依次导通的,在上一路电路关闭时,输出端的电势维持在关闭前的状态,由此不会产生过高的尖峰。而小尖峰产生则主要是由电路感抗引起的。

  当输入路数比较多的时候,在所有回路都关闭时,输出回路处在某个未知电平。当三极管开关时间特性不同时,在导通瞬间,输出波形中会出现尖峰,输入回路中与PNP管相对应端的电势越高,输出的尖峰则越高。

  下面测量实际电路的波形,首先接入6路左右的16V电池组,用示波器观察输出回路中UOUT与地线之间的电压。第一路电池组导通时,输出电平左端有尖峰出现,实际波形与分析的吻合,搭建的仿真模型有效。

  改进方案及改进后电路测量数据的精度

  根据仿真结果,确定电路出现问题主要有以下两个原因:

  1. 回路中感性元件的影响;

  2. 三极管开关特性的影响,此为主要原因。

  针对分析结果的改进方案

  在本系统设计中,采取了以下改进措施:

  1. 并联电容

  为了消除电路中电感对电路的影响,在输出回路的两端并联电容。并联电容基本上与回路的电感呈一定比例,而使得电路呈纯阻性。

  2. 串联限流电阻

  在每对三极管和二极管中串联限流电阻,可以保护三极管不会由于过流而击穿。同时,由于此限流电阻还有分压作用,使得瞬变二极管上的电压进一步降低,使瞬变二极管不易被击穿。

  改进后的电路

  经过在回路中串联限流电阻,电路的安全性得到保证。但电路的一致性和线性则需要进一步测试。

  一致性测量

  测量一致性的主要问题是电路中串联的限流电阻的阻值之间有误差。在电路中串联的限流电阻为20k,误差为1%。分别输入9V和16V待测电压,分别接入26路输入端,得到的测量数据不在此详述。

  由数据可以看出,第22、23、25和26路的测量结果偏小,最大测量误差为1.25%,测量一致性良好。

  线性测量

  由于电路中使用了三极管等非线性元器件,所以测量的线性需要验证。验证时,随机抽取一路,输入电压在2.0V~20.0V之间,每隔1V测量一次数据,测量数据也不在此详述。

  通过数据可知,输入电压在5V以下时,测量数据是不可靠的。当输入电压高于5V时,测量数据与输入电压基本呈线性关系。由于本系统主要用于镍氢电池的测量,模块电压为12V左右,电路可以满足测量要求。

  结语

  本文就A/D采样测量电路中常用的多路电压采集电路提出了一种设计方法。针对电路使用中出现的问题,结合Electronics Workbench电路仿真软件搭建模型仿真电路,提出了电路的改善方法。经过验证,电路的一致性和线性较好,同时又具有电路简单、器件少等优点。


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