電池組單元電壓檢測(cè)系統(tǒng)研究.ppt

電池組單元電壓檢測(cè)系統(tǒng)研究,天津大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心 王君,目錄,研究背景及意義 相關(guān)研究發(fā)展與現(xiàn)狀 項(xiàng)目設(shè)計(jì) 進(jìn)一步工作 參考文獻(xiàn),1.1研究背景,汽車、航天電子、電池動(dòng)力汽車， 持續(xù)供電設(shè)備還有通信設(shè)備 大多需要串聯(lián)電池組作為供電電源。電池組可能包含許多個(gè)小型電池單元， 以此來(lái)獲得數(shù)百伏特的供電電壓。在電池組供電系統(tǒng)中,我們希望能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出每個(gè)小單元電池的電壓，并通過(guò)充放電精確控制每節(jié)電池的電壓，以延長(zhǎng)電池使用壽命。測(cè)量電池組單元電壓的關(guān)鍵技術(shù)在于消除高壓共模信號(hào)（common mode voltage），讀出低壓差模信號(hào)（different mode voltage）。這樣很好地將輸入輸出隔離開，避免后級(jí)電路直接接受高壓信號(hào),1.2研究意義,電池組單元電池檢測(cè)的重要性基于： 1.判斷電池組的整體輸出電壓是否滿足供電要求 2.在電池組輸出電流或者充電時(shí)判斷其中每一節(jié)電池是否欠壓或過(guò)充（二者均會(huì)影響電池壽命） 3.精準(zhǔn)的測(cè)量有助于人為控制電池的充放電均衡系統(tǒng),二、國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展及現(xiàn)狀,通過(guò)變壓器等分立元件在電路板上實(shí)現(xiàn)電池組電壓的測(cè)量。 隨著IC行業(yè)的發(fā)展，芯片的普及，各個(gè)公司紛紛推出自己的系統(tǒng)解決方案，其中大量用到ADC，運(yùn)算放大器等集成芯片。 發(fā)展至今天，IC的集成度提高，片上系統(tǒng)（SOC）的普及，單單靠片外系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足用戶要求。LINEAR、Maxim、TI等紛紛推出自己的電源管理芯片，通過(guò)一顆芯片或者多組芯片的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)電池組電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電流檢測(cè)等多項(xiàng)功能。其中IC內(nèi)部電池組單元電壓檢測(cè)電路成為研究的熱門。,主流的技術(shù)方案,放大器隔離 光耦合隔離 變壓器隔離 DC/DC Converter 開關(guān)電容電荷轉(zhuǎn)移 電源管理IC,2.1放大器隔離 (Band & Unguris, 1997),系統(tǒng)方案,系統(tǒng)框圖,將電池電壓轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)或者其他輸出頻率與電池電壓相關(guān)的脈沖信號(hào)并通過(guò)隔離barrier輸出. PWM信號(hào)則是通過(guò)壓控振蕩器(VCO)得到 (Meyrath, 2005).輸出的PWM信號(hào)通過(guò)后級(jí)電路解調(diào)制就可以還原差模信號(hào)。通過(guò)這種方法可以很好地消除高壓共模信號(hào)，優(yōu)勢(shì)是精度較高，但是帶來(lái)的犧牲是需要多路放大器、調(diào)制器等，占用很大的功耗和面積。,2.2光耦合隔離(Band&Unguris,1997),系統(tǒng)方案,通過(guò)發(fā)光二極管將電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)，在通過(guò)光耦合的方法將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是最為經(jīng)濟(jì)，比起電壓轉(zhuǎn)換器等電路耗費(fèi)更少的器件，但是缺點(diǎn)是消耗較高的電流且不易集成。,系統(tǒng)框圖,2.3變壓器隔離(Williams & Thoren, 2008),系統(tǒng)方案,通過(guò)變壓器和一定的電流驅(qū)動(dòng)可以將電池電壓轉(zhuǎn)換出來(lái)，并將輸出與輸入隔離。這種方法優(yōu)點(diǎn)只需要較小尺寸的變壓器就可以實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)帶來(lái)過(guò)大的功耗。其缺點(diǎn)是檢測(cè)速度較慢且準(zhǔn)確性會(huì)隨著溫度變化而變化。,系統(tǒng)框圖,2.4 DC/DC Converter(Wagener, 2009),系統(tǒng)方案,如圖所示，通過(guò)PWM模式的DC/DC消除共模電平，并將電池電壓差模信號(hào)輸出。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的精度并且隨溫度等其他因素產(chǎn)生的漂移較小,系統(tǒng)框圖,2.5 開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)移（LINEAR 2007）,系統(tǒng)方案,如圖所示，通過(guò)一個(gè)開關(guān)電容的方法也可以消除共模電平并測(cè)量出單元電池電壓。開關(guān)時(shí)鐘控制電容交替地與電池輸入端口和緩沖器連接，這樣將輸入電壓轉(zhuǎn)移至緩沖器的輸入節(jié)點(diǎn)，在一定周期之后，緩沖器輸入端的輸入電容會(huì)被充滿，電壓值等同于電池輸入電壓。這種方法可以很好地消除電池電壓的共模電平，但是帶來(lái)的問(wèn)題是需要高壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)電容的開關(guān)，此外，電容的寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的精度下降。,系統(tǒng)框圖,2.6世界知名公司的IC設(shè)計(jì),Maxim (MAX11068) ATMEL (ATA6870) LTC (LTC6803),Maxim (MAX11068) 2007年,左圖為Maxim公司的此款芯片（2008）結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換觸排（switch bank）作為一種高壓多路選擇器使用，經(jīng)過(guò)儀表放大器的處理，最后輸入ADC之中進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量十二節(jié)串聯(lián)電池電壓。,ATMEL (ATA6870) 2009年,ATMEL公司的此款芯片（2009）從圖中我們可以看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該芯片采用多路ADC的方案對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)數(shù)字電平轉(zhuǎn)換將測(cè)量出的電壓值輸入到邏輯控制單元,LTC (LTC6803) 2011年,該款芯片是LINEAR公司生產(chǎn)的LTC6803，此款芯片通過(guò)多路選擇器將每節(jié)電池電壓選擇并輸入到ADC之中，ADC采用的是高精度的ADC，通過(guò)其濾波器抑制了噪聲,三、項(xiàng)目設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)電池組單元電壓獨(dú)處電路，應(yīng)用于電池組電壓檢測(cè)系統(tǒng)中。該設(shè)計(jì)不同于上述方法，采用多路開關(guān)選擇，單個(gè)共模電平消除模塊復(fù)用的方法將電池電壓的共模電平消除，成功采集出差模電壓，并交由后級(jí)電路處理。方案的優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)用的結(jié)構(gòu)叫前面的電路更節(jié)省功耗和面積，并且在電路中加入消除失調(diào)結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的精確性，共模消除電路中全差分OTA的運(yùn)用增加了系統(tǒng)的共模抑制比。下面將分別對(duì)系統(tǒng)框圖和共模電平消除的方法加以介紹。,3.1 電池組電壓讀出電路系統(tǒng)框圖,該設(shè)計(jì)采用多路開關(guān)進(jìn)行選擇，對(duì)N節(jié)電池采用N個(gè)周期進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)周期將開啟一節(jié)電池的采樣開關(guān)（如圖中所示，采集第一節(jié)電池電壓時(shí)CLOCK1開關(guān)閉合，其他開關(guān)斷開），這時(shí)第一節(jié)電池電壓將會(huì)通過(guò)共模電平消除電路消除共模電平并輸入后級(jí)電路進(jìn)一步處理。每個(gè)采樣周期共模消除電路工作一次，避免使用多路時(shí)的浪費(fèi),3.2 共模電平消除電路,電路原理,首先1、1為高電平，采樣電容CS對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，然后1比1提前一定時(shí)間進(jìn)入下降沿，此時(shí)x點(diǎn)為高阻狀態(tài)，故當(dāng)1變?yōu)榈碗娖?，即ks1開關(guān)關(guān)斷時(shí)，x點(diǎn)不再導(dǎo)通，即抑制了開關(guān)ks1的電荷注入效應(yīng)。當(dāng)2為高電平的時(shí)候，1、1此時(shí)為低電平，電路進(jìn)入保持狀體。CS上的差分電荷就傳到了Cf上，此時(shí)差分輸出電壓即為差分輸入電壓（CS=Cf）。,電路結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究工作,電池組采樣開關(guān)由于較強(qiáng)的襯底偏置效應(yīng)將會(huì)影響電路性能，針對(duì)這種情況可以使用去襯底偏置效應(yīng)的電路加以改善。接下來(lái)研究如何將去去襯底偏置效應(yīng)結(jié)構(gòu)融入采樣開管之中,參考文獻(xiàn),Atmel 2009, Li-Ion, NiMH battery measuring, charge balancing and power supply circuit, California, viewed 9 June 2009 Band, A & Unguris, J 1997, Optically isolated current to voltage converter for an electron optics system, Published Paper. National Institute of Standards and Technology. Maryland. Bergveld, JH 2002, Battery management systems, design by modelling, PhD Thesis, Department of Electrical Engineering, University of Twente, ISBN 90-74445-51-9, Kluwer Academic Publishers,Netherlands. De Vries, I 2008, Design considerations of active battery cell balancers, Unpublished Paper, Department of Electrical Engineering, Cape Peninsula University of Technology, Cape Town. Kultgen, L 2009, Managing high-voltage lithium-ion batteries in HEVs, EDN, 4 September 2009, pp. 45-52. Linear Technology Corporation 2009, Multicell battery stack monitor, California, viewed 9 June 2009 Maxim 2008, 12 Channel, high voltage sensor with smart data acquisition interface, Maxim, viewed 9 June 2009 Power Shield 2010, Permanent monitoring for lead-acid and Ni-Cad batteries., viewed 9 March 2011 Texas Instruments 2009, MSP430F2254 mixed signal microcontroller, Dallas, viewed 25 August 2009 Wagener, J 2009, Investigation and Design of a magnetically isolated DC-DC converter for use in cell balancing, A thesis in fulfilment of the requirements for the Magister Technologiae degree in Electrical Engineering, Dep