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电池组单元电压检测系统研究

电池组单元电压检测系统研究. 天津大学 IC 设计中心 王君. 目录. 研究背景及意义 相关研究发展与现状 项目设计 进一步工作 参考文献. 1.1 研究背景.

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电池组单元电压检测系统研究

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Presentation Transcript

  1. 电池组单元电压检测系统研究 天津大学IC设计中心 王君

  2. 目录 • 研究背景及意义 • 相关研究发展与现状 • 项目设计 • 进一步工作 • 参考文献

  3. 1.1研究背景 汽车、航天电子、电池动力汽车，持续供电设备还有通信设备大多需要串联电池组作为供电电源。电池组可能包含许多个小型电池单元，以此来获得数百伏特的供电电压。在电池组供电系统中,我们希望能够准确地测量出每个小单元电池的电压，并通过充放电精确控制每节电池的电压，以延长电池使用寿命。测量电池组单元电压的关键技术在于消除高压共模信号（common mode voltage），读出低压差模信号（different mode voltage）。这样很好地将输入输出隔离开，避免后级电路直接接受高压信号

  4. 1.2研究意义 电池组单元电池检测的重要性基于： • 1.判断电池组的整体输出电压是否满足供电要求 • 2.在电池组输出电流或者充电时判断其中每一节电池是否欠压或过充（二者均会影响电池寿命） • 3.精准的测量有助于人为控制电池的充放电均衡系统

  5. 二、国内外研究发展及现状 • 通过变压器等分立元件在电路板上实现电池组电压的测量。 • 随着IC行业的发展，芯片的普及，各个公司纷纷推出自己的系统解决方案，其中大量用到ADC，运算放大器等集成芯片。 • 发展至今天，IC的集成度提高，片上系统（SOC）的普及，单单靠片外系统已经无法满足用户要求。LINEAR、Maxim、TI等纷纷推出自己的电源管理芯片，通过一颗芯片或者多组芯片的串联实现电池组电压检测、温度检测、电流检测等多项功能。其中IC内部电池组单元电压检测电路成为研究的热门。

  6. 主流的技术方案 • 放大器隔离 • 光耦合隔离 • 变压器隔离 • DC/DC Converter • 开关电容电荷转移 • 电源管理IC

  7. 2.1放大器隔离 (Band & Unguris, 1997) 系统方案 系统框图 将电池电压转换为脉冲宽度调制（PWM）信号或者其他输出频率与电池电压相关的脉冲信号并通过隔离barrier输出. PWM信号则是通过压控振荡器(VCO)得到 (Meyrath, 2005).输出的PWM信号通过后级电路解调制就可以还原差模信号。通过这种方法可以很好地消除高压共模信号，优势是精度较高，但是带来的牺牲是需要多路放大器、调制器等，占用很大的功耗和面积。

  8. 2.2光耦合隔离(Band&Unguris,1997) 系统方案 系统框图 通过发光二极管将电学信号转化为光学信号，在通过光耦合的方法将光信号转换为电压信号并输出。这种方法的优点是最为经济，比起电压转换器等电路耗费更少的器件，但是缺点是消耗较高的电流且不易集成。

  9. 2.3变压器隔离(Williams & Thoren, 2008) 系统方案 系统框图 • 通过变压器和一定的电流驱动可以将电池电压转换出来，并将输出与输入隔离。这种方法优点只需要较小尺寸的变压器就可以实现，并且不会带来过大的功耗。其缺点是检测速度较慢且准确性会随着温度变化而变化。

  10. 2.4 DC/DC Converter(Wagener, 2009) 系统方案 系统框图 如图所示，通过PWM模式的DC/DC消除共模电平，并将电池电压差模信号输出。该电路的优点在于具有较高的精度并且随温度等其他因素产生的漂移较小

  11. 2.5 开关电容电压转移（LINEAR 2007） 系统方案 系统框图 如图所示，通过一个开关电容的方法也可以消除共模电平并测量出单元电池电压。开关时钟控制电容交替地与电池输入端口和缓冲器连接，这样将输入电压转移至缓冲器的输入节点，在一定周期之后，缓冲器输入端的输入电容会被充满，电压值等同于电池输入电压。这种方法可以很好地消除电池电压的共模电平，但是带来的问题是需要高压驱动电路驱动开关电容的开关，此外，电容的寄生效应会导致输出电压的精度下降。

  12. 2.6世界知名公司的IC设计 • Maxim (MAX11068) • ATMEL (ATA6870) • LTC (LTC6803)

  13. Maxim (MAX11068) 2007年 左图为Maxim公司的此款芯片（2008）结构图，从图中我们可以看到其内部结构，转换触排（switch bank）作为一种高压多路选择器使用，经过仪表放大器的处理，最后输入ADC之中进行检测，该系统可以同时测量十二节串联电池电压。

  14. ATMEL (ATA6870) 2009年 ATMEL公司的此款芯片（2009）从图中我们可以看到其内部结构，该芯片采用多路ADC的方案对每节电池进行测量，然后经过数字电平转换将测量出的电压值输入到逻辑控制单元

  15. LTC (LTC6803) 2011年 该款芯片是LINEAR公司生产的LTC6803，此款芯片通过多路选择器将每节电池电压选择并输入到ADC之中，ADC采用的是高精度的△ΣADC，通过其滤波器抑制了噪声

  16. 三、项目设计 设计电池组单元电压独处电路，应用于电池组电压检测系统中。该设计不同于上述方法，采用多路开关选择，单个共模电平消除模块复用的方法将电池电压的共模电平消除，成功采集出差模电压，并交由后级电路处理。方案的优点在于复用的结构叫前面的电路更节省功耗和面积，并且在电路中加入消除失调结构增加系统的精确性，共模消除电路中全差分OTA的运用增加了系统的共模抑制比。下面将分别对系统框图和共模电平消除的方法加以介绍。

  17. 3.1 电池组电压读出电路系统框图 该设计采用多路开关进行选择，对N节电池采用N个周期进行测量，每个周期将开启一节电池的采样开关（如图中所示，采集第一节电池电压时CLOCK1开关闭合，其他开关断开），这时第一节电池电压将会通过共模电平消除电路消除共模电平并输入后级电路进一步处理。每个采样周期共模消除电路工作一次，避免使用多路时的浪费

  18. 3.2 共模电平消除电路 电路原理 电路结构 首先Φ1、Φ1’为高电平，采样电容CS对输入信号进行采样，然后Φ1’比Φ1提前一定时间进入下降沿，此时x点为高阻状态，故当Φ1变为低电平，即ks1开关关断时，x点不再导通，即抑制了开关ks1的电荷注入效应。当Φ2为高电平的时候，Φ1、Φ1’此时为低电平，电路进入保持状体。CS上的差分电荷就传到了Cf上，此时差分输出电压即为差分输入电压（CS=Cf）。

  19. 进一步研究工作 电池组采样开关由于较强的衬底偏置效应将会影响电路性能，针对这种情况可以使用去衬底偏置效应的电路加以改善。接下来研究如何将去去衬底偏置效应结构融入采样开管之中

  20. 参考文献 • 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, Department of Electrical Engineering, Cape Peninsula University of Technology, Cape Town. • Williams, M & Thoren, J 2008, 'Novel measurement circuit eases battery-stack-cell design', EDN, 1 • October 2008, pp. 53-63.

  21. 谢谢！

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