基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計

引言
隨著(zhù)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)在使用時(shí)都會(huì )配備一套電池管理系統。針對電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統而言，又以前端數據采集、電池均衡管理、SoC電量計量、實(shí)時(shí)通信以及電池絕緣監測最為關(guān)鍵。其中，前端數據采集最為基礎。然而，在電池數據采集系統中，需要解決的一個(gè)共性問(wèn)題就是多個(gè)電池串聯(lián)使用時(shí)高電壓、測量系統等問(wèn)題有可能會(huì )引起危險。為了排除這些危險，在電池數據采集系統中要用到隔離電路。進(jìn)行現場(chǎng)測量時(shí)，也會(huì )有各種電磁干擾信號迭加在有用的被測信號上，會(huì )使測量的準確度降低。為了保證系統工作的安全性，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(jìn)行隔離，這就需要用到光電耦合器。

1 系統設計方案
電池管理系統的主要工作原理可簡(jiǎn)單歸納為：首先數據采集電路采集電池狀態(tài)信息數據，再由單片機進(jìn)行數據處理和分析，然后根據分析結果對系統內的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息。電池管理系統中最為重要的就是如何把數據采集到單片機中。
電池管理系統有集中式和分布式。分布式電池管理系統方案是指為每節電池配備一個(gè)子模塊，每一個(gè)子模塊能單獨完成電池電壓、溫度采集，隔離，A／D轉換以及通信等功能。分布式電池管理系統結構框圖如圖1所示。

在電動(dòng)汽車(chē)系統中，數據采集是整個(gè)電池管理系統的基礎和關(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(gè)系統的安全可靠運行至關(guān)重要。采集的數據主要包括：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，所以電壓采集是數據采集中的重中之重。圖2為單體鋰電池電壓采集系統結構框圖。其中，差分電路將單體鋰電池的電壓轉換成單端的電壓信號，使用隔離電路是為了確保系統的安全性，電壓跟隨電路使得信號不衰減地傳輸到后級電路中，最后進(jìn)入A／D轉換并傳送至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專(zhuān)用芯片法等。由于單體鋰電池數據采集系統只采集單體電池的電壓，故直接將電池兩端的電壓進(jìn)行差分即可。電壓采集電路如圖3所示。AQW214為高性能和經(jīng)濟型兼備的半導體繼電器，用其來(lái)斷開(kāi)電池與測量電路，使得電池電壓采集系統不工作時(shí)不會(huì )通過(guò)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(kāi)路時(shí)的漏電流極小，所以開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)不會(huì )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(xiàn)性光耦，具有低成本、低非線(xiàn)性度(0．01％)、高穩定度、頻帶寬(>1 MHz)、設計靈活的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)外接不同分立器件，方便實(shí)現多種光電隔離轉換電路。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(wèn)的線(xiàn)性和溫度特性。這種結構保證了線(xiàn)性光耦的高穩定性和高線(xiàn)性度。