馬曉軍,可榮碩,魏曙光,項(xiàng)宇,曾慶含

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京 100072）

串聯(lián)電池組的母線式電壓采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬曉軍,可榮碩,魏曙光,項(xiàng)宇,曾慶含

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京 100072）

動(dòng)力電池組、燃料電池等通常采用多路串聯(lián)式供電結(jié)構(gòu),單體電壓參數(shù)為反映電池性能的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)了一種母線式電壓采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用光控繼電器把電池單體加載到測(cè)量母線,通過移位寄存器74HC164邏輯控制實(shí)現(xiàn)電池單體電壓巡檢,經(jīng)過一套信號(hào)調(diào)理、隔離電路處理,使整體測(cè)量一致性提高,相比于采用譯碼器的邏輯電路,從元件數(shù)量和控制程序上都得到優(yōu)化。集成PIC18F2580最小系統(tǒng)及CAN總線接口,實(shí)現(xiàn)模塊化及可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足測(cè)量精度要求,并成功應(yīng)用于3 kW和10 kW燃料電池系統(tǒng)。

電氣工程;動(dòng)力電池組;燃料電池;測(cè)量母線;電壓采集;動(dòng)態(tài)加載

0 引言

串聯(lián)式電源系統(tǒng)的典型代表有動(dòng)力電池組和燃料電池組,具有單體電池電壓低、負(fù)載電流大的特點(diǎn)。單體電池的一致性制約整個(gè)電池組的綜合性能,同時(shí)也是影響動(dòng)力電池組壽命的重要因素[1]。燃料電池工作過程通常帶有風(fēng)機(jī)等高頻信號(hào)源,需對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的電源及采集電路進(jìn)行隔離,而燃料電池堆單體之間排列緊湊,故電壓采集系統(tǒng)受安裝結(jié)構(gòu)和體積限制[2],需考慮小型化和整體化設(shè)計(jì)。同時(shí)單體電壓一致性也是燃料電池組濕度控制的重要參考因素[3],燃料電池在額定負(fù)載下正常工作時(shí),單體電壓差值僅有幾十毫伏級(jí),采集電路本身差異及傳輸線路帶來的誤差也會(huì)影響測(cè)量精度,故需對(duì)每一個(gè)單體電池電壓進(jìn)行精確測(cè)量,實(shí)現(xiàn)均衡控制。

李樹靖等[4]采用一種由集成運(yùn)算放大器和模擬電子開關(guān)組成的直接測(cè)量法,其在電池節(jié)數(shù)多時(shí)采集電壓很高,安全性差且會(huì)造成較大誤差; Yang等[5]采用電阻分壓法,具有電阻的漂移誤差和電阻上的漏電流會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度降低的缺點(diǎn);衛(wèi)東等[6]采用多路差分電壓測(cè)量電路,對(duì)電池單體電壓進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量,有效抑制了共模信號(hào);張彩萍等[7]提出了一種壓控恒流源式測(cè)量電路方法,提高了測(cè)量傳輸精度。上述方法都采用多個(gè)測(cè)量電路,存在著電阻參數(shù)匹配問題,使系統(tǒng)誤差增加,影響整體一致性。Burns[8]采用繼電器陣選擇測(cè)量法,該方法的開關(guān)控制復(fù)雜,開關(guān)具有一定的導(dǎo)通阻值,影響電壓測(cè)量的精度;楊虎等[9]、吳騫等[10]設(shè)計(jì)了利用74HC138譯碼器實(shí)現(xiàn)多路電壓循環(huán)采集的方法,經(jīng)過一套信號(hào)調(diào)理電路處理,簡(jiǎn)化了電壓采集電路,避免了因測(cè)量系統(tǒng)固件差異帶來的測(cè)量誤差。但該方法當(dāng)電池單體數(shù)較多時(shí),需增加一級(jí)譯碼器對(duì)每組譯碼器進(jìn)行選擇,增加了元件和控制信號(hào)數(shù)量及控制邏輯,可靠性降低。

1 方案設(shè)計(jì)

文中提出了電壓采集電路采用“測(cè)量母線”的概念,利用光控繼電器把電池單體加載到測(cè)量母線上,通過對(duì)移位寄存器74HC164邏輯控制,實(shí)現(xiàn)電池單體的動(dòng)態(tài)加載,利用一套信號(hào)調(diào)理電路對(duì)母線上的電壓進(jìn)行采集,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)加載電路、信號(hào)處理電路、光耦隔離電路、單片機(jī)以及供電電源組成。采用模塊式系統(tǒng)設(shè)計(jì),集成CAN總線接口,便于采集系統(tǒng)的擴(kuò)展。如圖2所示,該采集電路貼附在燃料電池堆表面,減少了傳輸線路壓降誤差,采集系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行,通過總線與上位機(jī)進(jìn)行通信,進(jìn)行顯示監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析,也可與燃料電池、能量管理控制系統(tǒng)等綜合控制器進(jìn)行信息交互。根據(jù)電池組的單體數(shù)量需求,可使多路采集子系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行,相鄰兩套采集系統(tǒng)之間通過5針端子(包含2條電源線、2條總線和1個(gè)電池節(jié)點(diǎn))連接。

圖1 母線式電壓采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of bus-type voltage acquisition system

圖2 電壓采集系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Extensional structure of voltage acquisition system

1.1 電池單體動(dòng)態(tài)加載電路設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)加載電路方案如圖3所示。

T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8為電池節(jié)點(diǎn),Line1、Line2為電壓測(cè)量母線,經(jīng)過一套信號(hào)調(diào)理電路對(duì)加載在母線上的電池單體進(jìn)行采集。采用NAiS公司AQW214雙路光控繼電器,通過邏輯控制把待測(cè)電池單體依次加載到測(cè)量母線上。當(dāng)測(cè)量第1路電池單體時(shí),T1接入Line1,T2接入Line2,此時(shí)電池電壓為U12;測(cè)量第2路電池單體時(shí),T2接入Line2,T3接入Line1,此時(shí)電池電壓為-U12;依次可得出第n路單體電壓表達(dá)式為

74HC164為8位移位寄存器,每次時(shí)鐘脈沖CLK觸發(fā),輸出端口QA～QH電壓信號(hào)依次向后移一位。控制端A的控制信號(hào)BIT1決定下一時(shí)鐘脈沖后移入的QA電平信號(hào),第1片移位寄存器的QH端與下一片移位寄存器的控制端A相連。每一次電壓測(cè)量時(shí),只有2個(gè)電池節(jié)點(diǎn)接入測(cè)量母線,其余處于斷開狀態(tài)。采用8位二進(jìn)制數(shù)表示,當(dāng)?shù)?路電池加載到測(cè)量母線時(shí),控制信號(hào)為11000000,第2路控制信號(hào)為01100000,依次類推,當(dāng)進(jìn)行到第8路時(shí),第1片的控制信號(hào)為00000001,第2片的控制信號(hào)為1000000,實(shí)現(xiàn)了電池單體的移位加載方式。

圖3 電池動(dòng)態(tài)加載電路圖Fig.3 Dynamic loading circuit diagram of cells

在這種控制方式下,電池單體的加載是按照邏輯時(shí)序執(zhí)行的,不受軟件程序的控制及保護(hù)。為避免一條母線上同時(shí)接入2個(gè)電池節(jié)點(diǎn)而造成電池間短路情況,設(shè)計(jì)硬件保護(hù)電路如圖4所示。

CLR1、BIT1、CLK分別為復(fù)位信號(hào)、邏輯輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào),是單片機(jī)輸出控制信號(hào);1QA、1QB為串聯(lián)電池的前2個(gè)節(jié)點(diǎn);U1、U5為雙輸入與門;U3、U4為雙輸入與非門;U2為D觸發(fā)器;U6為第1個(gè)移位寄存器。保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)閉鎖和復(fù)位功能原理如下:

1)閉鎖。當(dāng)CLK信號(hào)前2位1QA、1QB都為高時(shí),U2閉鎖,經(jīng)過U4反向,U6控制端A由高變?yōu)榈?此時(shí)無(wú)論輸入邏輯信號(hào)BIT1為何值,U6在下一時(shí)鐘移入值始終為低,即始終只有2個(gè)電池節(jié)點(diǎn)接入測(cè)量母線,實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。直到復(fù)位信號(hào)CLR1觸發(fā)后,U2恢復(fù),U6控制端A恢復(fù)為高電平。

圖4 保護(hù)電路Fig.4 Protection circuit

2)復(fù)位。當(dāng)前2個(gè)節(jié)點(diǎn)接入測(cè)量母線以后,觸發(fā)器U2輸出D為高,如果誤操作或干擾信號(hào)導(dǎo)致1QA為高,會(huì)出現(xiàn)一條母線上投入2個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路情況,這時(shí)U3輸出的復(fù)位信號(hào)CLR2由高變?yōu)榈?對(duì)所有移位寄存器復(fù)位,切斷母線上所有節(jié)點(diǎn),達(dá)到短路保護(hù)作用。

需注意:在移位寄存器移位選擇過程中,第N個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)斷和第N+2個(gè)節(jié)點(diǎn)開通之間需要有死區(qū),否則將會(huì)出現(xiàn)同一條測(cè)量母線上同時(shí)接入2個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路情況。根據(jù)AQW214技術(shù)文檔得到繼電器開通過程時(shí)間Ton大于關(guān)斷過程時(shí)間Toff一個(gè)數(shù)量級(jí),理論上不存在硬件邏輯短路情況,這一點(diǎn)在3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[9-10]的電壓采集方式也是典型的測(cè)量母線式結(jié)構(gòu),3種電路結(jié)構(gòu)方案對(duì)比,如表1所示。表1中:一級(jí)代表直接控制光控繼電器的譯碼器,二級(jí)代表對(duì)一級(jí)譯碼器進(jìn)行片選的譯碼器。

表1 3種動(dòng)態(tài)加載電路方案比較Tab.1 Comparison of three dynamic loading circuit schemes

由表1可看出,文獻(xiàn)[9]方案中每一個(gè)電池單體需2個(gè)投切開關(guān),光電繼電器個(gè)數(shù)為單體數(shù)的2倍,其他2種方案的開關(guān)數(shù)量與測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)相等,因此光電繼電器數(shù)量減小1/2.文獻(xiàn)[9-10]方案中邏輯芯片為74HC138譯碼器,本文方案為74HC164.每個(gè)邏輯芯片都有8路邏輯選擇輸出。文獻(xiàn)[9-10]方案表中k1、k2為單體數(shù)不能被整除時(shí),需增加的邏輯芯片數(shù)量:

表1中,文獻(xiàn)[9-10]方案在編寫程序時(shí)要對(duì)譯碼器邏輯進(jìn)行判斷,且文獻(xiàn)[10]方案需利用2組譯碼器對(duì)2條測(cè)量母線上的電池節(jié)點(diǎn)加載過程分別控制,控制信號(hào)較多,程序設(shè)計(jì)較復(fù)雜,需設(shè)計(jì)保護(hù)電路。本文設(shè)計(jì)方案只需對(duì)移位寄存器開始2個(gè)周期內(nèi)邏輯信號(hào)進(jìn)行配置,之后通過觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)便可以實(shí)現(xiàn)電池單體的切換,不需考慮切換時(shí)序的問題。

可看出,本文采用的方案從芯片數(shù)量及控制信號(hào)數(shù)量上優(yōu)于其他2種方式,同時(shí)當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)量增加時(shí),本文采用的電路方案只需相應(yīng)增加移位寄存器的數(shù)量,對(duì)控制信號(hào)線數(shù)量及檢測(cè)電路沒有影響,操作代碼簡(jiǎn)單可靠,便于維護(hù)和擴(kuò)展。

1.2 信號(hào)處理及隔離電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理及隔離電路如圖5所示。采用差分式放大電路對(duì)母線上的單體電壓進(jìn)行測(cè)量,電路參數(shù)為

圖5 信號(hào)處理及隔離電路Fig.5 Signal processing and isolation circuit

由于母線電壓為正、負(fù)交替,A/D測(cè)量芯片無(wú)法對(duì)負(fù)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此需要對(duì)測(cè)量母線輸入電壓進(jìn)行處理,圖5中在電阻R4前端加基準(zhǔn)電壓Uref,由TL432基準(zhǔn)電壓芯片提供,提升后的測(cè)量電壓

隔離電路采用高精度模擬線性HCNR201,線性度可達(dá)0.01%,工作在光電壓模式,具有12位轉(zhuǎn)換精度及40 kHz帶寬頻率,滿足實(shí)際測(cè)量需求。

針對(duì)不同單體電壓等級(jí)的電池,電路參數(shù)選取如表2所示,其中Ucc為控制器側(cè)電源電壓值。

表2 3種電池測(cè)量參數(shù)選擇Tab.2 Parameters configuration of three batteries

CPU選用PIC系列單片機(jī)PIC18F2580.40路管腳,片內(nèi)含8路10位精度A/D及CAN總線接口。選擇PCA82C250CAN總線發(fā)收器,具有高抗干擾能力和總線保護(hù)能力,最高可達(dá)1 Mbit/s傳輸速率。電壓數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳到系統(tǒng)控制器,進(jìn)行顯示及相應(yīng)控制。

2 程序設(shè)計(jì)流程

單片機(jī)小系統(tǒng)片內(nèi)A/D對(duì)電壓采集并處理的程序編寫在定時(shí)器中斷服務(wù)程序內(nèi),程序流程如圖6所示。

圖6 定時(shí)器中斷程序流程圖Fig.6 Timer interrupt program flow chart

為避免母線電壓交替變化過程中,測(cè)量母線瞬態(tài)電壓的不確定性造成的測(cè)量誤差,A/D轉(zhuǎn)換采取5次測(cè)量,取后4次測(cè)量值的平均值。完成一次電壓循環(huán)掃描的時(shí)間

式中:TAD為單次電壓采樣周期;nAD為采樣次數(shù); nb為電池單體串聯(lián)個(gè)數(shù)。

CAN總線一次傳輸標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)部分為8 byte,程序中每4路電壓數(shù)據(jù)為一組進(jìn)行上傳。完成一次循環(huán)之后復(fù)位移位寄存器,使測(cè)量母線懸空。A/D轉(zhuǎn)換在定時(shí)器中斷程序結(jié)束前啟動(dòng),保證測(cè)量間隔,避免在中斷程序內(nèi)出現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等待的情況。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 測(cè)量母線電壓死區(qū)分析

驗(yàn)證單體電池加載過程中無(wú)短路現(xiàn)象,在測(cè)量母線加500 mV電壓,相鄰測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間并聯(lián)300 Ω電阻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 電壓測(cè)量母線上加載死區(qū)波形Fig.7 Dead-zone waveform on measurement bus

圖7中,下降沿曲線為第n和n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間電壓波形,上升沿曲線為第n+1和n+2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間電壓波形,可以看出切換過程中存在母線電壓死區(qū)。對(duì)46路采集系統(tǒng)進(jìn)行切換死區(qū)時(shí)間測(cè)量,平均時(shí)間間隔52 μs,最大120 μs,最小36 μs,單體加載切換瞬間不存在短路現(xiàn)象。

3.2 電壓采集實(shí)驗(yàn)分析

該測(cè)量電路應(yīng)用于46片3 kW質(zhì)子交換膜燃料電池組。燃料電池單體電壓正常工作范圍通常在0.50～1.20 V之間。電路中,k3取2,k4取1,經(jīng)過信號(hào)處理及隔離電路后,母線電壓放大1倍,測(cè)量精度提高1位,輸出電壓范圍為0～4.80 V.

如圖8所示,一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)輸入單片機(jī)A/D采樣的Um電壓波形。單次電壓采樣周期3.2 ms,遠(yuǎn)大于電池單體加載切換時(shí)間,同時(shí)單片機(jī)中A/D采集最小周期10 μs,滿足測(cè)量需求。根據(jù)(3)式得到完成一次所有單體電壓循環(huán)掃描的周期760 ms.

圖8中,160 ms起開始進(jìn)入電池單體移位加載過程中,電壓呈高、低壓交替變化。900 ms時(shí)進(jìn)入第47個(gè)移位周期,測(cè)量電壓母線沒有加載電池單體,Um為懸空狀態(tài),這個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及與燃料電池控制器之間的通信,920 ms后,完成一次循環(huán)掃描周期。

圖8 動(dòng)態(tài)加載過程電壓信號(hào)波形Fig.8 Voltage signal in dynamic loading process

電池單體電壓在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi),所有電池單體電壓數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 電池單體電壓檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Voltage measured results of cells

燃料電池負(fù)載1 kW,工作電流20 A.由于操作過程中,實(shí)際值與測(cè)量值存在一定的時(shí)間差,實(shí)際值選取單體電壓平均值,因此圖中測(cè)量值與實(shí)際值存在一定差異。圖9中可看出,測(cè)量電壓與實(shí)際電壓趨勢(shì)基本吻合,單體電壓誤差范圍在(-5 mV, 5 mV)之間,滿足燃料電池誤差在10 mV之內(nèi)的精度及掃描時(shí)間要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了采用母線式測(cè)量方式的電壓采集系統(tǒng),避免了信號(hào)處理電路元件自身差異帶來的誤差,提高整體測(cè)量一致性。移位加載檢測(cè)方法優(yōu)化了電壓采集電路,使光電繼電器數(shù)量減少1/2,軟件程序流程簡(jiǎn)單、可靠。CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,便于串聯(lián)電池系統(tǒng)的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)了電壓采集電路的小型化及模塊化。該電壓采集系統(tǒng)已應(yīng)用于46片3 kW及120片10 kW燃料電池單膜電壓采集系統(tǒng)中。

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Optimal Design of Bus-type Voltage Acquisition System

MA Xiao-jun,KE Rong-shuo,WEI Shu-guang,XIANG Yu,ZENG Qing-han
(Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

Power supply system,such as power battery pack and fuel cell,normally uses a series-type power supply structure,and the voltage parameter of battery is an important performance index of the battery.A bus-type voltage acquisition system is designed.In the system,the photoelectric relay is adopted to load a battery on the measurement bus,and the voltage monitoring is implemented by means of the logic control of shift register 74HC164.Thus the consistency of the overall measurement is improved through single signal processing and isolation circuit.The number of components is reduced,and the circuit structure and control procedure are optimized compared to logic circuit with decoder.The modularization and scalability of the measurement system are achieved by PIC18F2580 minimum system and CAN bus interface.The experimental result shows that the system has stable performance and meets the requirement of measuring accuracy,which has been used for the voltage monitoring of 3 kW and 10 kW fuel cells.

electrical engineering;power battery pack;fuel cell;measurement bus;voltage acquisition;dynamic loading

TM912.2

:A

1000-1093(2014)05-0577-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.001

2013-08-19

武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目(2011YY25)

馬曉軍(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:maxiaojun_zgy@163.com;可榮碩(1985—),男,博士研究生。E-mail:daxiaoke1985@163.com