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1數據采集總體方案設計

電池管理系統多通道高精度數據采集電路具體設計方案如圖1所示。圖1中左側是電池組檢測的相關模擬量數據，包括12路單體電壓數據、充放電2路電流數據、電池組工作溫度及環境溫度數據，這些數據對應的物理量可能是電壓、電流、電阻，考慮到A/D轉換只能以電壓的形式實現模擬量的獲取，因此相應的設計了信號轉換電路，實現不同類型信號的電壓轉換；考慮到A/D轉化模擬量量程的需求，設計了不同的信號放大電路；為了防止超量程的模擬量對A/D器件造成的影響，設計了對應的保護電路；為了防止干擾信號對數據準確性的影響，設計了濾波電路。16路電壓模擬量產生后，A/D器件在MCU的控制下逐次對16個通道數據進行A/D轉換，轉換后的數字量用于實現對電池管理系統的SOC評估及其它管理工作。

2硬件電路設計

2.1動力電池電壓信號檢測電路設計

動力電池組是由眾多單體電池串聯而成。本設計中，選取12個單體電池串聯而成的動力電池組，相應的就有12個電壓模擬量信號。圖2所示為電壓采集電路設計。動力電池組中，各個動力電池串聯而成。在地參考點的作用下，各個電池正負極對地參考電壓近似比例增大，為實現輸出的是電池電壓，最有效的實現途徑是借助由運算放大器“虛短”與“虛斷”原理構成的減法電路。圖2中，由雙運放運算放大器LM358構建2級網絡：第1級即為由R1~R4組建的差分放大電路形成減法電路，第2級構成電壓跟隨器，起到緩沖及隔離的作用。LM358使用單5V電源供電。

2.2動力電池雙向電流檢測電路設計

電池組在充放電過程中，由于只有一個充放電通道，理論上而言電流檢測通道只有一個。根據電路理論電流在其參考方向下存在正負之分，因此必須單獨設計充電電流、放電電流各自的檢測信號。圖3所示為集成的雙向電流檢測硬件電路設計。從電路中可以看出，該電路的設計非常類似于電氣中的互鎖電路。從采樣電阻中采集的電阻兩端電壓在電阻分壓網絡下，產生不同的電壓。結合運放的差分放大功能，分別引入LM358運算放大器的2組不同的運放輸入端，由于引入同相輸入端和反相輸入端的電壓不同，使得2組運放各自工作在線性工作區與非線性工作區中。當電池組中有任意方向的電流時，均會產生一組運放工作在線性放大區域產生對應的模擬電壓信號同時另外一組運放工作在非線性區域而作為電子開關輸出供電電源的參考地電壓。在實際的電動汽車中，通常選用100AH的動力電池組為電動汽車提供動力源，這樣，采樣電阻的選擇就有了依據。本設計中，選用0.05R/2W的采樣電阻多個并聯成0.01R的功率電阻作為充放電電流檢測元件。

2.3動力電池組溫度檢測電路設計

溫度檢測保證電池組工作在可靠溫度范圍內而不引起電池故障，是電池管理系統中必不可少的有效組成部分。溫度檢測傳感器選用PT100系列溫度傳感器。最新制造工藝出產的PT100體積小，精度高，比較適合應用在電池管理系統溫度檢測單元中。本設計中，選用三線式橋式測溫電路，其最大優點在于將地線單獨引出，參考電阻網絡的地線電阻可以與PT100的地線電阻匹配，減小電阻差異帶來的偏差問題，提高溫度測量精度。其設計原理同電壓采集電路基本相同。

3調試數據與分析

設計完畢后，對該套電池管理系統的硬件電路進行了制版調試。在解決了焊接遺留的硬件問題后，通過MCU的監測獲取了大量數據。調試過程中某一時刻點的狀態量。從測試數據可以看出，無論是電壓、電流、還是溫度，其相對誤差都控制在1%以內，特別是電壓檢測數據，精度更是達到了3‰，這樣的誤差在電池管理系統誤差允許范圍之內，達到了電池管理系統數據采集前端模塊硬件電路設計的目的。

4總結

設計了硬件檢測電路，配合性能優良的A/D轉換器，在簡化電路設計的過程中同時滿足了電池管理系統對電壓、電流、溫度等各項檢測數據的要求。從實驗獲得的數據分析可以看出，該電池管理系統模擬量數據與MCU中檢測轉換后的模擬量數據誤差小，不超過1%。結果表明：該電池管理系統的硬件電路設計合理、精度高、穩定性好，達到電池管理系統后續SOC評估的預期效果。本設計中的硬件電路模塊可以在較小調整下應用到其它測控系統電路中，具有一定的實用價值。

作者:魏海波 梅建偉 簡煒 單位:湖北汽車工業學院