一种混合动力电池监测模块的设计实现

      引言

　　分布式电池监测系统具有应用广泛,可扩展的优点; CAN总线具有传输速率高、可靠性好的优点，将二者结合应用，典型电池监测与管理系统结构如图1所示。

　　其中远程数据采集单元即电池监测模块。

　　监测模块的功能定义

　　功能实现的前提是在不影响或对电池性能影响小到可以忽略的基础上实现，离开这个前提则监测模块的设计会失去意义，因为在实际应用中往往是多个电池串连在一起应用，一个电池的失效必然导致整个电池包出问题。

　　监测模块将在上述前提下实现下列功能：

　　接受上层控制器的控制；
　　实现电池数据的采集，准确反应电池的物理参数，如电压，温度；
　　将采集到的数据传送给上层控制器，实现数据共享。
　　监测模块要达到的物理性能

　　在采样速率>10khz 的情况下，

　　电压采样
　　电压采集精度25℃优于0.5%, -40℃～85℃优于1%。

　　温度采样　
　　温度采集精度±2℃，-40℃~85℃。

　　监测模块系统结构

　　如图2所示，虚线框部分为监测模块基本结构。

　　基本结构共由三大部分组成：低压回路、隔离电路、高压回路。它们各自又由三部分组成：

　　低压回路包括：信号处理与转换电路，作用是处理来自整车的控制信号，典型如点火信号等，可以根据不同的应用要求设计；电源电路和主芯片电路，作用是给低压回路供电，同时实现监测模块的控制逻辑与数据处理；通讯电路，作用是与上层控制器以及下层的数据采集部分进行通讯，典型上层通讯电路采用CAN协议通讯，下层电路采用SCISPI，I2C等。
　　隔离电路包括：控制隔离电路，作用是实现低压对高压控制电路的隔离；电源隔离电路，作用是实现低压电源到高压电源的隔离控制；通讯隔离电路，作用是实现高、低压通讯电路电平的隔离并保证正常通讯。
　　高压回路包括：信号处理，作用是将电池包的电池模块信号、温度传感器以及其他信号转化为可以直接采样的电信号；电源和采样电路，作用是为高压系统工作提供电源，同时对处理后的信号进行采样处理，将模拟信号转化为电压信号；通讯电路，作用为将处理好的数字信号发送出去，同时接受低压回路的控制指令。

　　设计实现

　　以仅采集电压和温度为例说明本监测模块的设计实现。

　　低压回路：使用MC9S08DZ60实现控制逻辑，电源由外部12Ｖ蓄电池提供；电源电路作用为将蓄电池电压转化为+５Ｖ电压，采用芯片TLE4275G 实现；通讯电路采用CAN和SPI 的通讯方式。

　　隔离电路：采用光电隔离继电器(PhotoMos Relay)　实现控制信号的隔离；电源的隔离可以采用隔离电源，也可以采用直接从高压取电低压控制隔离的方式，设计采用后者去实现；通讯电路采用光耦或通讯隔离芯实现高压回路通讯电路和低压回路的通讯连接。

　　高压回路：采用运放加阻容的方式实现电压信号的转换和调理，采用NTC 热敏电阻加分压电路实现温度信号的转换；采用高压到低压的电源转换芯片实现高压控制回路的供电；采用带SPI 接口的12位A/D转换器AD7888实现模拟信号到数字信号的转换并将数据传送出去。电压调理电路、温度调理电路、AD7888应用电路分别如图3、图4和图5所示。

       对电池性能的影响分析

　　上述的方案设计中，在监测模块高压回路部分正常工作后，由于AD7888的耗电最大仅为3mW, 运放，隔离器件的耗电也仅为几个mW , 因此整个高压回路的耗电功耗可保持50mW以内，如果电池监测模块高压侧电压为48Ｖ，则折算到高压端的电流仅为2mA左右。这对于电池工作时的动辄几十A的电流所造成的功耗来说几乎可以忽略不计，非常容易在充电时补回；由于高压部分的用电对每个监测模块都是一样的，同时高压部分的用电来自电池模块组成的串联总电压，因此监测模块对每个电池组的用电负荷也都是一样的，从高压部分的取电不会造成电池的一致性不好，而在电路不工作时，由于隔离器件PhotoMos Relay在不工作时最恶劣的情况下通过的最大漏电流控制在1mA及以下，对于６Ah的电池，在最恶劣的情况下10年的监测模块自放电造成的额外容量损失仅为1.46%(1e-6×24×365×10/6)，远远低于电池本身的自放电水准(通常在环境较好的情况下，性能优异的电池１年自放电>25%), 因此可以放心长期使用，满足汽车/轿车应用需要。

　　系统性能

　　电压检测：在如20Ｖ满量程的情况下，使用12位A/D转换器可实现4.9mV(20V/4096)的分辨率，采用误差校正后可实现优于0.01Ｖ的检测精度。

　　温度检测：取决于温度传感器性能。

　　系统结构优缺点以及改进

　　系统具备以下优点：１、实现较高的采样速率，因为扩展了外部ADC, 影响速度的主要因素将仅集中在高压回路中信号调理所允许的信号带宽以及ADC的采样速率，当前电子技术的发展使这两项均可以轻松作到10kHz以上，这意味着测试短暂到0.1ms以上的瞬间电压变化，因此可测量到电压变化的具体细节，并满足电池数据采集需要。２、由于采用了电压隔离的措施，高压侧对低压侧的影响可以忽略。高压和低压完全隔离，隔离性能仅取决于于隔离器件的性能，使用典型如光耦等可实现ＤＣ高达1000V的隔离。３、由于低压侧和高压侧完全没有联系，因此它消除了巨大(可能高达几百伏)共模电压的影响，降低了设计的难度。

　　系统缺点：由于每块监测模块均带有一片微处理器芯片，整车电气系统每增加一块监测模块将增加一块微处理器的成本，从而增加了监测模块在整车应用的成本。

　　可能的改进：将隔离控制电路的逻辑功能集成在高压侧实现，使监测模块出来的数字信号直接送给上层的控制器，降低系统成本。