基于HCNR201的电压采集隔离电路设计 - 全文

随着人们环保意识的增强以及能源的日趋紧张，锂电池的电动汽车受到国家和民众的广泛关注。为确保锂电池安全使用，电动汽车在使用时都会配备一套电池管理系统。针对电动汽车电池管理系统而言，又以前端数据采集、电池均衡管理、SoC电量计量、实时通信以及电池绝缘监测最为关键。其中，前端数据采集最为基础。然而，在电池数据采集系统中，需要解决的一个共性问题就是多个电池串联使用时高电压、测量系统等问题有可能会引起危险。为了排除这些危险，在电池数据采集系统中要用到隔离电路。进行现场测量时，也会有各种电磁干扰信号迭加在有用的被测信号上，会使测量的准确度降低。为了保证系统工作的安全性，并且减少环境噪声对测试电路的影响，往往将被测电路与测试电路进行隔离，这就需要用到光电耦合器。

1 系统设计方案
    电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：首先数据采集电路采集电池状态信息数据，再由单片机进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。电池管理系统中最为重要的就是如何把数据采集到单片机中。
    电池管理系统有集中式和分布式。分布式电池管理系统方案是指为每节电池配备一个子模块，每一个子模块能单独完成电池电压、温度采集，隔离，A／D转换以及通信等功能。分布式电池管理系统结构框图如图1所示。

    在电动汽车系统中，数据采集是整个电池管理系统的基础和关键，尤其是对于锂电池而言，采集的精度和速度对电池的使用寿命乃至整个系统的安全可靠运行至关重要。采集的数据主要包括：各电池电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息。其中电压采集除了有以上作用外，还涉及到电池均衡的方面，所以电压采集是数据采集中的重中之重。图2为单体锂电池电压采集系统结构框图。其中，差分电路将单体锂电池的电压转换成单端的电压信号，使用隔离电路是为了确保系统的安全性，电压跟随电路使得信号不衰减地传输到后级电路中，最后进入A／D转换并传送至MCU。

2 基于HCNR201的电压采集电路
2．1 电压采集电路
    目前有很多用于锂电池电压采集的方法，如电阻分压法和锂电池管理系统专用芯片法等。由于单体锂电池数据采集系统只采集单体电池的电压，故直接将电池两端的电压进行差分即可。电压采集电路如图3所示。AQW214为高性能和经济型兼备的半导体继电器，用其来断开电池与测量电路，使得电池电压采集系统不工作时不会通过测量电路漏电。除此之外，AQW214也充当了保护电路的角色，因其开路时的漏电流极小，所以开关断开时不会威胁到电路的准确性和安全性。

2．2 基于HCNR201的电压隔离电路
    HCNR201是美国Agilent公司推出的一款高精度线性光耦，具有低成本、低非线性度(0．01％)、高稳定度、频带宽(>1 MHz)、设计灵活的优点。通过外接不同分立器件，方便实现多种光电隔离转换电路。HCNR201由高性能发光二极管LED及具有严格比例关系的光电二极管PD1和PD2构成，HCNR201原理图如图4所示。LED发出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于产生输出电流；PD1用于伺服回授机制上，对发光LED的导通电流予以补偿，改善输入与输出电路问的线性和温度特性。这种结构保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。

电压隔离电路如图5所示。电路实现信号与系统隔离及线性测量双重功能，主要由HCNR201及运放构成。工作原理：LED、PD1、Q1及运放U1等组成测量电路的输入部分并形成负反馈，U2、PD2等构成电路的输出部分；当输入电压变化时，在运放U1的作用下，LED电流IF随着调整；光耦的物理结构决定PD1与LED成线性比例，所以流过PD1的电流IPD1跟随着输入电压变化；又PD2与PD1成严格比例关系，同样IPD2跟随输入电压变化，通过运放U2及电位器R1将IPD2转换成输出电压，最终实现输出电压与输入电压的精密线性关系。补偿电容C1及C2用于改进电路稳定性、减小电路输出噪声及限制电路的工作带宽于10 kHz左右内；二极管D1起续流作用，防止LED完全关断时过高反压加在LED两端。

2．3 实验分析
    在确定具体的参数后搭建电路，并对该电路进行验证。前端输入电压由微机电源经可变电阻分压后提供，电路的输入／输出电压经万用表测量后得出相应数据。隔离前后输入／输出电压的比较如表1所列。

    由表1中的数据可以得到通过Matlab绘出的实际图形。输入／输出电压及其最小二乘拟合直线如图6所示。其中“口”表示理想状态下的数据点，“*”表示实测所对应的数据点，连线是最小二乘法对所测数据进行的拟合直线，该拟合直线的方程为y=0．9969x+0．0091，其最佳斜率为0．9969。
根据相对误差的定义，即测量的绝对误差与被测量真值之比乘以100％所得的数值，其定义式为δ=△／L×100％。其中δ为相对误差(一般用百分数给出)；△为绝对误差；L为被测量真值。所以得到这组数据的相对误差的平均值为0．5％。
    按照定义，拟合直线的线性度(即非线性误差)为测量曲线与拟合直线的最大偏差和满量程输出的百分比，由Matlab可以得到该电路的非线性误差为0．02％。
    线性光耦HCNR201的理想非线性误差为0．01％，而实际隔离电路的非线性误差为0．02％，原因主要有以下几点：
    ①电源误差。实验过程中隔离前后的供电电源是由两台微机电源提供，微机电源本身提供的电压±15 V是存在偏差的。
    ②其他器件误差。组成该隔离电路的器件的非线性度、稳定性以及精确度也影响了电路的线性度。
    ③环境影响。实验过程中环境因素对电路中其他器件的影响，如温湿度对器件温漂的影响等。
    根据上述原因，改善的措施有：
    ①供电电源由DC-DC电源模块来提供，DC-DC具有电源效率高、发热量小、输出电压稳定和纹波小等特点。
    ②更改组成隔离电路的器件。例如，可以采用精密的OP-97类型的运算放大器，能够提供pA级的偏置电流和mV级的偏移电压；另外，根据HCNR201的数据手册，可以在运算放大器和光电二极管的输入端用开尔文连接法来连接，以确保电路的精确度。

3 方案改进
3．1 改变供电电源
    下面改变电路的供电电源对电路进行验证，用2个由24 V转换为±15 V的DC-DC来为该隔离电路进行供电，改变供电电源时隔离前后输入／输出电压的比较如表2所列。

    从表2中可以看出，通过使用DC-DC为电路供电后，输入电压和输出电压之间的误差已经大大减小。经改进后的数据的相对误差的平均值为0．3％，其非线性误差改变不明显，说明改变供电电源对电路的线性度影响不大，所以采取另外一种方法——替换电路中的运算放大器，来验证电路的线性度能不能大幅提升。
3．2 更换器件
    考虑到改变DC-DC仍然不能大大缩短隔离电路的非线性误差和器件线性度的距离，采用OP27的运放来代替TL082，OP27是具有低噪声、低漂移、高速、高开环增益和高性能等特点的超低噪声精密单运放，用其替代运算放大器TL082后得到的数据如表3所列。

    经实验证明，用运算放大器OP27替换电路中的TL082使得输入电压和输出电压之间的误差大大减小，利用这组数据经Matlab可以进行直线拟合，并能够得到拟合直线的斜率、截距以及线性度(即非线性误差)等。其中，该拟合直线的斜率为0.9997，截距为0.00041，其非线性误差为0.015％。由表3可知电路的误差已经非常小，并且考虑到若干元件构成电路时非线性误差会增大，所以该电路的线性度已经比较理想了。

结语
    由上述实验中的数据及图形可以得出，由HCNR201及其外围器件组成的隔离电路由于受到供电电源误差、其他器件误差以及环境冈素的影响而导致电路线性度不理想的情况可以改善。通过将供电电源由微机电源更换为DC-DC电源，以及将其他器件更换为精密器件来提高隔离电路的线性度和精度。同时，经现场使用证明，本文给出的电压测量电路能够对电动汽车中的锂电池进行安全、准确的电压采集，也充分利用了光耦继电器AQW214的各个特点；基于线性光耦HCNR201的电压隔离电路实现了高稳定性和线性度的信号隔离，因此，该电路也可广泛地应用在各数据采集的输入／输出电路中。