電動(dòng)車電池容量計(jì)解決方案設(shè)計(jì)

3.2 絕對(duì)值放大器

由于充放電電流方向不同，采用絕對(duì)值放大器，它將霍爾器件輸出的正負(fù)信號(hào)統(tǒng)一放大為正信號(hào)，然后送往壓頻轉(zhuǎn)換器。

絕對(duì)值放大器的設(shè)計(jì)方法較多，從電源上來(lái)看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運(yùn)放個(gè)數(shù)有一個(gè)和多個(gè)。本機(jī)由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)，而單運(yùn)放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對(duì)負(fù)載亦應(yīng)考慮，不太適用。

本機(jī)采用由二運(yùn)放構(gòu)成的絕對(duì)值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運(yùn)算放大器0P-07，精度高且性能不受負(fù)載影響，就電池容量計(jì)而言，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期擱置后，容量計(jì)由于放大器誤差的關(guān)系指示充滿或放光，產(chǎn)生誤判。以高精度、低失調(diào)、低漂移設(shè)計(jì)完成后的樣機(jī)，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv.參見圖2。

圖2 絕對(duì)值放大器原理圖

3.3壓頻轉(zhuǎn)換器

壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，它的線性度和精度直接影響到整機(jī)。實(shí)現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換的方法也有很多種。該器件較好的線性度為全程跟蹤精度提供了保證，并以較少的元件使體積縮小，電路原理見圖3。

圖3 壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖

3.4 可逆計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器部分全部采用CMOS電路，一是功耗低，這對(duì)依靠電池本身供電顯得極為重要;二是其電平與運(yùn)放電平匹配，并使顯示范圍增大。見圖4。

圖4可逆計(jì)數(shù)器原理圖

采用了14級(jí)脈沖進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4020一片，4位可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4516二片，構(gòu)成21級(jí)計(jì)數(shù)器。而低14位則僅用來(lái)計(jì)數(shù)并不用作輸出，且4020是單向計(jì)數(shù)，無(wú)減法功能。

此種設(shè)計(jì)有兩大優(yōu)點(diǎn)：

(1)4020是高集成度的計(jì)數(shù)器，可代替3片半4516來(lái)使用，這樣大大縮小了體積。

(2)當(dāng)作加法時(shí)，4020可精確到最低位;作減法時(shí)，誤差為低十四位，但這個(gè)十四位也是一次性的最大誤差，無(wú)累加性，因?yàn)殡娐飞喜捎昧水惒?、同步?jì)數(shù)混用的方法。當(dāng)減去14個(gè)數(shù)，4020輸出異步脈沖4516減“1”，如同作真正減法一樣，而4020的數(shù)值是不能輸出的，這使得結(jié)果十分精確。

3.5 控制電路

該部分包含有預(yù)置電路、防溢出電路、計(jì)數(shù)方向控制電路。

本樣機(jī)為適用范圍寬，在計(jì)數(shù)器的預(yù)置和控制電路上均增加了撥動(dòng)開關(guān)，這樣可以通過(guò)撥動(dòng)開關(guān)設(shè)置計(jì)數(shù)部分初值和終值，可達(dá)到檢測(cè)使用已知電池電容的目的，比較方便。

同時(shí)為防計(jì)數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計(jì)數(shù)器計(jì)到零和滿值時(shí)均不再計(jì)數(shù)，以防錯(cuò)誤。

通過(guò)對(duì)電流流向的比對(duì)，輸出脈沖控制可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，構(gòu)成方向控制電路。

3.6 顯示

顯示有數(shù)字式、指針式兩種方式。為保證直觀的顯示，同時(shí)盡可能沿用普通汽車的儀表，仍采用汽車上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個(gè)開關(guān)，通過(guò)它來(lái)切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。

這需要將計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。顯然用D/A轉(zhuǎn)換是可以的，但電路復(fù)雜程度上升，成本也有所提高。故為了簡(jiǎn)化電路我們僅借用D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的思想，利用權(quán)電阻T形網(wǎng)絡(luò)將4516的7位數(shù)值變換成模擬量輸出，推動(dòng)電壓表指示，見圖5。

圖5顯示電路原理圖

3.7 工作電源部分

電池容量計(jì)不同于其它儀器的是它只能使用電池作為電源，而由于電池電壓的變化及波動(dòng)，直接使用顯然是不合適的，為此必須由電池引出產(chǎn)生二次電源。

首先霍爾器件需電源±12V，電路控制計(jì)數(shù)等部分也亦借用±12V，另外我們考慮到為了使容量指示更直觀清晰，其最大電壓范圍應(yīng)大些，同時(shí)也能充分利用其電壓表有效指示。其電壓表范圍為40V，而電池電壓最高為30V，故設(shè)定容量指示最大指示為28V，這就需要電源電壓為30V.

由于電池起動(dòng)時(shí)有大電流放電，使電壓波動(dòng)十分厲害，約15~30V，為適應(yīng)其變化，同時(shí)減小容量計(jì)自身功耗，提高效率，設(shè)計(jì)全部采用開關(guān)電源。

首先+12V的獲得是采用LM2575降壓調(diào)整器，該芯片輸入電壓可達(dá)40V，固定振蕩頻率52kHz，電壓、電流調(diào)整率較好，適應(yīng)容量計(jì)的要求。

-12V是利用+12V為輸入，通過(guò)34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們?cè)O(shè)計(jì)用M2575HV(輸入電壓60V)由電池電壓直接引入，損失較小。故我們?cè)谠O(shè)計(jì)中一直在尋找簡(jiǎn)潔的方法，最后經(jīng)試驗(yàn)決定利用555振蕩器升壓并采用倍壓整流的方法將12V提升至30V，效果極好，見圖6。

4 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 電壓/頻率關(guān)系的設(shè)定

電壓0~10V對(duì)應(yīng)頻率0~10kHz

圖6 30V電源原理圖

電流0~1000A對(duì)應(yīng)電壓0~10V

這幾個(gè)值的選取，綜合考慮了霍爾元件、放大器、F/V轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的最佳值及試驗(yàn)樣機(jī)的需要。

4.2 計(jì)數(shù)位數(shù)

4020-14位4516兩片共8位，加起來(lái)為22位，僅采用21位，其計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為：