电池管理系统电压采样电路的设计与研究
倪红军 陈祥 朱建新 吕帅帅 储爱华
摘 要： 动力电池作为混合动力汽车的全部或部分动力源，对动力电池单体电压的实时采集、监控具有重要意义。设计一种电池管理系统（BMS）电压采样电路，分析电压采样原理，通过电池箱模拟单体电池电压，编写软件控制单个模块电压采样，比较不同电压下的电压采样精度。测试结果表明，电压采样精度较高，满足电压采样设计要求。
关键词： 混合动力汽车； 电池管理系统； 单体电压； 电压采样
中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0158?03
Abstract： As the power battery is taken as the whole or partial power source of the hybrid electric vehicle （HEV）， real?time acquirement and monitoring of the single?cell voltage have great significance. A voltage sampling circuit of battery management system （BMS） was designed. The voltage sampling principle is analyzed. The battery box is used to simulate the single?cell voltage. The program is compiled to control the voltage sampling of the single module. The voltage sampling accuracy is compared at different voltages. The test results show that the voltage sampling accuracy of the circuit is high， and the circuit can meet the design requirements of voltage sampling.
Keywords： hybrid power automobile； battery management system； single?cell voltage； voltage sampling
动力电池是混合动力汽车上不可或缺的动力源，动力电池主要用于汽车制动能量的回收与利用，以提高混合动力汽车工作时的能量效率，降低污染等。作为整车的部分或全部动力源，电池包需要较高的电压及容量，现阶段的动力电池包主要由多节单体电池串联而成，单体电池的工作性能与整车的动力性及安全性息息相关，电池的电压直接体现着电池的状态，且关系到SOC，SOH等估算，所以对动力电池单体模块电压的实时检测以防止动力电池出现过充过放，对提高动力电池的使用寿命及安全性具有重要意义。目前，单体电压的测量主要有电阻分压法和继电器切换法[1]，但电阻分压法测量误差较大，因此选择较为复杂的继电器切换法。通过光控MOS继电器开通与闭合来实现上述电路测量，其中电压采样的时序控制主要由飞思卡尔单片机来实现，并通过该芯片进行数据采集及内部A/D转换。
1 动力电池单体电压采样电路设计
1.1 电压采样硬件原理图设计
混合动力汽车在行驶过程中，动力电池会不断地进行充放电，其单体电压也会随之发生变化，若不监控其电压，严重过充甚至会产生爆炸的危险，威胁汽车及人身安全[2?3]。因此，为了防止动力电池的过充过放，需要对电池单体电压进行不断监测，一个高精度的电压模块是电池管理系统可靠性重要的指标之一，这对于电池的使用寿命，防止电池发生危险起到关键作用[4]。
图1所示电路中，R1～Rn为限流电阻，与飞渡电容C2构成充电回路，以限制充电电流，电容C1与电阻R_1构成滤波电路，以滤除高频信号，电阻R_2，R_3为限流电阻，主要用于保护MOS管（图1中转换开关），R_4，R_5为放大器输入电阻，与R_6，R_7构成放大比例系数，电容C3，C6主要作用为滤波，接地电容C4，C5，C7主要用于抗干扰和电位隔离，钳位二极管U1主要用于保护放大器电路的工作安全，以防止放大器被烧毁。整个电路主要通过控制前置调理电路和后置调理电路，实现采样期间只有被测电池模块被选通，并通过差动放大电路轮流对各电池模块电压进行采样以完成巡回检测。
该电压采样电路由单体电池选择开关、飞渡电容、奇偶选择开关、后置调理电路及单片机组成，主要用于测量由多节单体动力电池串联而成的动力电池组单体电压。其中单体电池选择开关主要采用AQW216光耦合继电器组与74HC138译码器组合控制，光耦合采样继电器组经单片机控制以实现不同电池模块巡回采样的通断[5?6]。如图2所示。
由于电池两端存在共模电压，对电池组中单体电压测量会出现很大误差[7]，因此，设计飞渡电容以实现信号的采樣保持及消除共模干扰。主要实现方式为单体电池电压经前置调理电路限流给飞渡电容充电，电容充满电后，关断前级AQW216（S）；基于前置调理电路选通得到的是正负交替电压[8]，需要设计后级奇偶选择AQW216（K）将电压信号进行调整；后置调理电路主要用于调整信号幅值、减小信号内阻和防止失真，基于电压跟随器的输入阻抗无穷大，且飞渡电容具有信号保持作用，电压跟随器的输出电压即电容C2两端电压，从而可以对单体电池电压进行准确测量；单片机主要用于电压的测量。
74HC138译码器如图3所示。
1.2 电压采样软件设计
为了验证硬件采样电路设计的精确性，通过软件控制译码器来选择光耦继电器组的通断以便能够采集模块单体电池电压，软件时序流程图见图4。
在完成一系列初始化之后，首先控制74HC138译码器输出电平选通电池中某一个Block模块向飞渡电容充电，再将该选通的Block关闭（74HC138译码器停止工作状态），根据通道奇偶性选择通断光耦继电器，启动A/D，读电压值，然后开通MOS光耦合继电器，使飞渡电容（C2）放电，接着关闭MOS光耦合继电器，断开运放与飞渡电容，清零通道切换采样下一个模块。
2 电压采样电路测试结果与分析
2.1 电压采样电路测试
搭载图5所示的单体电池电压测试平台，通过软件控制对电压进行采样，通过CANalyzer进行数据的实时记录，具体步骤如下：
（1） 将图5所示的电池箱选择10个单体模块模拟10个单体电池，通过20个单体电池串联而成模拟动力电池包的电压采样；
（2） 将示波器连接在图1硬件原理图相邻两个模块如S2，S3以测量模组1中模块2 的电压，以便于观察验证软件控制时序是否正确；
（3） 分别设置动力电池模拟箱体10个单体模块同时输出电压为2 V，4 V，6 V，8 V，10 V，12 V，14 V，16 V，18 V，20 V（单体电池电压不会超过20 V）；
（4） 通过图5所示软件时序控制74HC138译码器以保证MOS管的开通与断开进行电压采样；
（5） 实验在常温下进行，分别测试在模块电池输出上述电压下各通道的A/D采样值。
2.2 电压采样结果分析
从示波器抓取的波形可以得知，从开始采集当前模组电压到下一次采集当前模组电压需要经历200 ms，见图6，其中图6（a）标线和图6（b）标线是时间标线，时间差是200 ms。并测出当前通道整个采样周期为20 ms，见图7，其中图7（a）标线和图7（b）标线是时间标线，时间差是20 ms，由此可知采样测试通道切换时序正确。
电压采样时，使用CANalyzer实时存储采样数据，并通过其自带的数据回放功能将采样的数据进行回放，见图8，此时观察回放图形发现采样数据准确。再将该数据精确转换后在Matlab中查看，其中单体电压采样最大最小值见表1，计算发现最大误差小于0.4%，精度较高。
3 结 论
单体电压采样作为电池管理系统的核心部分之一，单体电压采样的研究对混合动力汽车性能有着巨大作用。设计具有采样电路前置调理电路的限流、分压与滤波以及用于采样保持的飞渡电容，具有信号幅值调整、信号内阻减小和防止失真的后置调理电路和跟随器。分析了电压采样设计原理，并通过电池箱模拟单体电池输出模拟电压进行采样，通过CANalyzer记录输出不同模拟电压下的电压采样值，经过数据轉换并回放得出该电压采样电路误差小于0.4%，采样精度较高，满足电压采样设计要求。
参考文献
[1] 房继业.电动汽车BMS中电池单体电压采集及其均衡方案研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.
[2] 曲荣利.混合动力汽车镍氢电池充放电特性研究[D].大连：大连理工大学，2007.
[3] 郑林锋，姜久春，王占国，等.锂离子电池电压在线与离线检测设计[J].电源技术，2015，39（1）：26?29.
[4] 窦汝振，翟世欢，赵钢.动力电池组电压采集及均衡控制策略研究[J].电测与仪表，2015，52（2）：90?94.
[5] 曹铭，于永飞，黄菊花.基于Freescale单片机的电池管理系统设计与实现[J].电源技术，2012，36（11）：1659?1661.
[6] 朱建新，刘鹏.基于飞渡电容的电压巡回检测电路及方法：中国，CN103983839A[P].2014?08?13.
[7] 崔张坤，梁英，龙泽，等.锂电池组单体电压检测系统设计[J].电源技术，2013（1）：41?42.
[8] 羌嘉曦，杨林，朱建新，等.电动汽车用MH/Ni电池的管理系统[J].电池，2006（4）：296?298.
摘 要： 动力电池作为混合动力汽车的全部或部分动力源，对动力电池单体电压的实时采集、监控具有重要意义。设计一种电池管理系统（BMS）电压采样电路，分析电压采样原理，通过电池箱模拟单体电池电压，编写软件控制单个模块电压采样，比较不同电压下的电压采样精度。测试结果表明，电压采样精度较高，满足电压采样设计要求。
关键词： 混合动力汽车； 电池管理系统； 单体电压； 电压采样
中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0158?03
Abstract： As the power battery is taken as the whole or partial power source of the hybrid electric vehicle （HEV）， real?time acquirement and monitoring of the single?cell voltage have great significance. A voltage sampling circuit of battery management system （BMS） was designed. The voltage sampling principle is analyzed. The battery box is used to simulate the single?cell voltage. The program is compiled to control the voltage sampling of the single module. The voltage sampling accuracy is compared at different voltages. The test results show that the voltage sampling accuracy of the circuit is high， and the circuit can meet the design requirements of voltage sampling.
Keywords： hybrid power automobile； battery management system； single?cell voltage； voltage sampling
动力电池是混合动力汽车上不可或缺的动力源，动力电池主要用于汽车制动能量的回收与利用，以提高混合动力汽车工作时的能量效率，降低污染等。作为整车的部分或全部动力源，电池包需要较高的电压及容量，现阶段的动力电池包主要由多节单体电池串联而成，单体电池的工作性能与整车的动力性及安全性息息相关，电池的电压直接体现着电池的状态，且关系到SOC，SOH等估算，所以对动力电池单体模块电压的实时检测以防止动力电池出现过充过放，对提高动力电池的使用寿命及安全性具有重要意义。目前，单体电压的测量主要有电阻分压法和继电器切换法[1]，但电阻分压法测量误差较大，因此选择较为复杂的继电器切换法。通过光控MOS继电器开通与闭合来实现上述电路测量，其中电压采样的时序控制主要由飞思卡尔单片机来实现，并通过该芯片进行数据采集及内部A/D转换。
1 动力电池单体电压采样电路设计
1.1 电压采样硬件原理图设计
混合动力汽车在行驶过程中，动力电池会不断地进行充放电，其单体电压也会随之发生变化，若不监控其电压，严重过充甚至会产生爆炸的危险，威胁汽车及人身安全[2?3]。因此，为了防止动力电池的过充过放，需要对电池单体电压进行不断监测，一个高精度的电压模块是电池管理系统可靠性重要的指标之一，这对于电池的使用寿命，防止电池发生危险起到关键作用[4]。
图1所示电路中，R1～Rn为限流电阻，与飞渡电容C2构成充电回路，以限制充电电流，电容C1与电阻R_1构成滤波电路，以滤除高频信号，电阻R_2，R_3为限流电阻，主要用于保护MOS管（图1中转换开关），R_4，R_5为放大器输入电阻，与R_6，R_7构成放大比例系数，电容C3，C6主要作用为滤波，接地电容C4，C5，C7主要用于抗干扰和电位隔离，钳位二极管U1主要用于保护放大器电路的工作安全，以防止放大器被烧毁。整个电路主要通过控制前置调理电路和后置调理电路，实现采样期间只有被测电池模块被选通，并通过差动放大电路轮流对各电池模块电压进行采样以完成巡回检测。
该电压采样电路由单体电池选择开关、飞渡电容、奇偶选择开关、后置调理电路及单片机组成，主要用于测量由多节单体动力电池串联而成的动力电池组单体电压。其中单体电池选择开关主要采用AQW216光耦合继电器组与74HC138译码器组合控制，光耦合采样继电器组经单片机控制以实现不同电池模块巡回采样的通断[5?6]。如图2所示。
由于电池两端存在共模电压，对电池组中单体电压测量会出现很大误差[7]，因此，设计飞渡电容以实现信号的采樣保持及消除共模干扰。主要实现方式为单体电池电压经前置调理电路限流给飞渡电容充电，电容充满电后，关断前级AQW216（S）；基于前置调理电路选通得到的是正负交替电压[8]，需要设计后级奇偶选择AQW216（K）将电压信号进行调整；后置调理电路主要用于调整信号幅值、减小信号内阻和防止失真，基于电压跟随器的输入阻抗无穷大，且飞渡电容具有信号保持作用，电压跟随器的输出电压即电容C2两端电压，从而可以对单体电池电压进行准确测量；单片机主要用于电压的测量。
74HC138译码器如图3所示。
1.2 电压采样软件设计
为了验证硬件采样电路设计的精确性，通过软件控制译码器来选择光耦继电器组的通断以便能够采集模块单体电池电压，软件时序流程图见图4。
在完成一系列初始化之后，首先控制74HC138译码器输出电平选通电池中某一个Block模块向飞渡电容充电，再将该选通的Block关闭（74HC138译码器停止工作状态），根据通道奇偶性选择通断光耦继电器，启动A/D，读电压值，然后开通MOS光耦合继电器，使飞渡电容（C2）放电，接着关闭MOS光耦合继电器，断开运放与飞渡电容，清零通道切换采样下一个模块。
2 电压采样电路测试结果与分析
2.1 电压采样电路测试
搭载图5所示的单体电池电压测试平台，通过软件控制对电压进行采样，通过CANalyzer进行数据的实时记录，具体步骤如下：
（1） 将图5所示的电池箱选择10个单体模块模拟10个单体电池，通过20个单体电池串联而成模拟动力电池包的电压采样；
（2） 将示波器连接在图1硬件原理图相邻两个模块如S2，S3以测量模组1中模块2 的电压，以便于观察验证软件控制时序是否正确；
（3） 分别设置动力电池模拟箱体10个单体模块同时输出电压为2 V，4 V，6 V，8 V，10 V，12 V，14 V，16 V，18 V，20 V（单体电池电压不会超过20 V）；
（4） 通过图5所示软件时序控制74HC138译码器以保证MOS管的开通与断开进行电压采样；
（5） 实验在常温下进行，分别测试在模块电池输出上述电压下各通道的A/D采样值。
2.2 电压采样结果分析
从示波器抓取的波形可以得知，从开始采集当前模组电压到下一次采集当前模组电压需要经历200 ms，见图6，其中图6（a）标线和图6（b）标线是时间标线，时间差是200 ms。并测出当前通道整个采样周期为20 ms，见图7，其中图7（a）标线和图7（b）标线是时间标线，时间差是20 ms，由此可知采样测试通道切换时序正确。
电压采样时，使用CANalyzer实时存储采样数据，并通过其自带的数据回放功能将采样的数据进行回放，见图8，此时观察回放图形发现采样数据准确。再将该数据精确转换后在Matlab中查看，其中单体电压采样最大最小值见表1，计算发现最大误差小于0.4%，精度较高。
3 结 论
单体电压采样作为电池管理系统的核心部分之一，单体电压采样的研究对混合动力汽车性能有着巨大作用。设计具有采样电路前置调理电路的限流、分压与滤波以及用于采样保持的飞渡电容，具有信号幅值调整、信号内阻减小和防止失真的后置调理电路和跟随器。分析了电压采样设计原理，并通过电池箱模拟单体电池输出模拟电压进行采样，通过CANalyzer记录输出不同模拟电压下的电压采样值，经过数据轉换并回放得出该电压采样电路误差小于0.4%，采样精度较高，满足电压采样设计要求。
参考文献
[1] 房继业.电动汽车BMS中电池单体电压采集及其均衡方案研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.
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[8] 羌嘉曦，杨林，朱建新，等.电动汽车用MH/Ni电池的管理系统[J].电池，2006（4）：296?298.
