基于HCNR201的電壓采集隔離電路設(shè)計

引言
隨著人們環(huán)保意識的增強以及能源的日趨緊張，鋰電池的電動汽車受到國家和民眾的廣泛關(guān)注。為確保鋰電池安全使用，電動汽車在使用時都會配備一套電池管理系統(tǒng)。針對電動汽車電池管理系統(tǒng)而言，又以前端數(shù)據(jù)采集、電池均衡管理、SoC電量計量、實時通信以及電池絕緣監(jiān)測最為關(guān)鍵。其中，前端數(shù)據(jù)采集最為基礎(chǔ)。然而，在電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要解決的一個共性問題就是多個電池串聯(lián)使用時高電壓、測量系統(tǒng)等問題有可能會引起危險。為了排除這些危險，在電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中要用到隔離電路。進行現(xiàn)場測量時，也會有各種電磁干擾信號迭加在有用的被測信號上，會使測量的準確度降低。為了保證系統(tǒng)工作的安全性，并且減少環(huán)境噪聲對測試電路的影響，往往將被測電路與測試電路進行隔離，這就需要用到光電耦合器。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡單歸納為：首先數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，再由單片機進行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息。電池管理系統(tǒng)中最為重要的就是如何把數(shù)據(jù)采集到單片機中。
電池管理系統(tǒng)有集中式和分布式。分布式電池管理系統(tǒng)方案是指為每節(jié)電池配備一個子模塊，每一個子模塊能單獨完成電池電壓、溫度采集，隔離，A／D轉(zhuǎn)換以及通信等功能。分布式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在電動汽車系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是整個電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，尤其是對于鋰電池而言，采集的精度和速度對電池的使用壽命乃至整個系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要。采集的數(shù)據(jù)主要包括：各電池電壓值、總電壓值、充放電電流值以及溫度信息。其中電壓采集除了有以上作用外，還涉及到電池均衡的方面，所以電壓采集是數(shù)據(jù)采集中的重中之重。圖2為單體鋰電池電壓采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中，差分電路將單體鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換成單端的電壓信號，使用隔離電路是為了確保系統(tǒng)的安全性，電壓跟隨電路使得信號不衰減地傳輸?shù)胶蠹夒娐分?，最后進入A／D轉(zhuǎn)換并傳送至MCU。

2 基于HCNR201的電壓采集電路
2．1 電壓采集電路
目前有很多用于鋰電池電壓采集的方法，如電阻分壓法和鋰電池管理系統(tǒng)專用芯片法等。由于單體鋰電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只采集單體電池的電壓，故直接將電池兩端的電壓進行差分即可。電壓采集電路如圖3所示。AQW214為高性能和經(jīng)濟型兼?zhèn)涞陌雽w繼電器，用其來斷開電池與測量電路，使得電池電壓采集系統(tǒng)不工作時不會通過測量電路漏電。除此之外，AQW214也充當了保護電路的角色，因其開路時的漏電流極小，所以開關(guān)斷開時不會威脅到電路的準確性和安全性。

2．2 基于HCNR201的電壓隔離電路
HCNR201是美國Agilent公司推出的一款高精度線性光耦，具有低成本、低非線性度(0．01％)、高穩(wěn)定度、頻帶寬(>1 MHz)、設(shè)計靈活的優(yōu)點。通過外接不同分立器件，方便實現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路。HCNR201由高性能發(fā)光二極管LED及具有嚴格比例關(guān)系的光電二極管PD1和PD2構(gòu)成，HCNR201原理圖如圖4所示。LED發(fā)出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于產(chǎn)生輸出電流；PD1用于伺服回授機制上，對發(fā)光LED的導通電流予以補償，改善輸入與輸出電路問的線性和溫度特性。這種結(jié)構(gòu)保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。