串聯(lián)電池組電池電壓讀出電路課件

電池組單元電壓檢測系統(tǒng)研究天津大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心王君電池組單元電壓檢測系統(tǒng)研究天津大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心目錄研究背景及意義相關(guān)研究發(fā)展與現(xiàn)狀項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)一步工作參考文獻(xiàn)目錄研究背景及意義1.1研究背景汽車、航天電子、電池動(dòng)力汽車，

持續(xù)供電設(shè)備還有通信設(shè)備

大多需要串聯(lián)電池組作為供電電源。電池組可能包含許多個(gè)小型電池單元，

以此來獲得數(shù)百伏特的供電電壓。在電池組供電系統(tǒng)中,我們希望能夠準(zhǔn)確地測量出每個(gè)小單元電池的電壓，并通過充放電精確控制每節(jié)電池的電壓，以延長電池使用壽命。測量電池組單元電壓的關(guān)鍵技術(shù)在于消除高壓共模信號(hào)（commonmodevoltage），讀出低壓差模信號(hào)（differentmodevoltage）。這樣很好地將輸入輸出隔離開，避免后級(jí)電路直接接受高壓信號(hào)1.1研究背景汽車、航天電子、電池動(dòng)力汽車，持續(xù)供1.2研究意義電池組單元電池檢測的重要性基于：1.判斷電池組的整體輸出電壓是否滿足供電要求2.在電池組輸出電流或者充電時(shí)判斷其中每一節(jié)電池是否欠壓或過充（二者均會(huì)影響電池壽命）3.精準(zhǔn)的測量有助于人為控制電池的充放電均衡系統(tǒng)1.2研究意義電池組單元電池檢測的重要性基于：二、國內(nèi)外研究發(fā)展及現(xiàn)狀通過變壓器等分立元件在電路板上實(shí)現(xiàn)電池組電壓的測量。隨著IC行業(yè)的發(fā)展，芯片的普及，各個(gè)公司紛紛推出自己的系統(tǒng)解決方案，其中大量用到ADC，運(yùn)算放大器等集成芯片。發(fā)展至今天，IC的集成度提高，片上系統(tǒng)（SOC）的普及，單單靠片外系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足用戶要求。LINEAR、Maxim、TI等紛紛推出自己的電源管理芯片，通過一顆芯片或者多組芯片的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)電池組電壓檢測、溫度檢測、電流檢測等多項(xiàng)功能。其中IC內(nèi)部電池組單元電壓檢測電路成為研究的熱門。二、國內(nèi)外研究發(fā)展及現(xiàn)狀通過變壓器等分立元件在電路板上實(shí)現(xiàn)電主流的技術(shù)方案放大器隔離光耦合隔離變壓器隔離DC/DCConverter開關(guān)電容電荷轉(zhuǎn)移電源管理IC主流的技術(shù)方案放大器隔離2.1放大器隔離(Band&Unguris,1997)系統(tǒng)方案系統(tǒng)框圖將電池電壓轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)或者其他輸出頻率與電池電壓相關(guān)的脈沖信號(hào)并通過隔離barrier輸出.PWM信號(hào)則是通過壓控振蕩器(VCO)得到(Meyrath,2005).輸出的PWM信號(hào)通過后級(jí)電路解調(diào)制就可以還原差模信號(hào)。通過這種方法可以很好地消除高壓共模信號(hào)，優(yōu)勢是精度較高，但是帶來的犧牲是需要多路放大器、調(diào)制器等，占用很大的功耗和面積。2.1放大器隔離(Band&Unguris,19972.2光耦合隔離(Band&Unguris,1997)系統(tǒng)方案通過發(fā)光二極管將電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)，在通過光耦合的方法將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是最為經(jīng)濟(jì)，比起電壓轉(zhuǎn)換器等電路耗費(fèi)更少的器件，但是缺點(diǎn)是消耗較高的電流且不易集成。系統(tǒng)框圖2.2光耦合隔離(Band&Unguris,1997)系統(tǒng)方2.3變壓器隔離(Williams&Thoren,2008)系統(tǒng)方案通過變壓器和一定的電流驅(qū)動(dòng)可以將電池電壓轉(zhuǎn)換出來，并將輸出與輸入隔離。這種方法優(yōu)點(diǎn)只需要較小尺寸的變壓器就可以實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)帶來過大的功耗。其缺點(diǎn)是檢測速度較慢且準(zhǔn)確性會(huì)隨著溫度變化而變化。系統(tǒng)框圖2.3變壓器隔離(Williams&Thoren,202.4DC/DCConverter(Wagener,2009)系統(tǒng)方案如圖所示，通過PWM模式的DC/DC消除共模電平，并將電池電壓差模信號(hào)輸出。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的精度并且隨溫度等其他因素產(chǎn)生的漂移較小系統(tǒng)框圖2.4DC/DCConverter(Wagener,22.5開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)移（LINEAR2007）系統(tǒng)方案如圖所示，通過一個(gè)開關(guān)電容的方法也可以消除共模電平并測量出單元電池電壓。開關(guān)時(shí)鐘控制電容交替地與電池輸入端口和緩沖器連接，這樣將輸入電壓轉(zhuǎn)移至緩沖器的輸入節(jié)點(diǎn)，在一定周期之后，緩沖器輸入端的輸入電容會(huì)被充滿，電壓值等同于電池輸入電壓。這種方法可以很好地消除電池電壓的共模電平，但是帶來的問題是需要高壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)電容的開關(guān)，此外，電容的寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的精度下降。系統(tǒng)框圖2.5開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)移（LINEAR2007）系統(tǒng)方案如2.6世界知名公司的IC設(shè)計(jì)Maxim(MAX11068)ATMEL(ATA6870)LTC(LTC6803)2.6世界知名公司的IC設(shè)計(jì)Maxim(MAX11068)Maxim(MAX11068)2007年左圖為Maxim公司的此款芯片（2008）結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換觸排（switchbank）作為一種高壓多路選擇器使用，經(jīng)過儀表放大器的處理，最后輸入ADC之中進(jìn)行檢測，該系統(tǒng)可以同時(shí)測量十二節(jié)串聯(lián)電池電壓。Maxim(MAX11068)2007年左圖為MaximATMEL(ATA6870)2009年ATMEL公司的此款芯片（2009）從圖中我們可以看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該芯片采用多路ADC的方案對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行測量，然后經(jīng)過數(shù)字電平轉(zhuǎn)換將測量出的電壓值輸入到邏輯控制單元ATMEL(ATA6870)2009年ATMEL公司的此LTC(LTC6803)2011年該款芯片是LINEAR公司生產(chǎn)的LTC6803，此款芯片通過多路選擇器將每節(jié)電池電壓選擇并輸入到ADC之中，ADC采用的是高精度的△ΣADC，通過其濾波器抑制了噪聲LTC(LTC6803)2011年該款芯片是LINEAR三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電池組單元電壓獨(dú)處電路，應(yīng)用于電池組電壓檢測系統(tǒng)中。該設(shè)計(jì)不同于上述方法，采用多路開關(guān)選擇，單個(gè)共模電平消除模塊復(fù)用的方法將電池電壓的共模電平消除，成功采集出差模電壓，并交由后級(jí)電路處理。方案的優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)用的結(jié)構(gòu)叫前面的電路更節(jié)省功耗和面積，并且在電路中加入消除失調(diào)結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的精確性，共模消除電路中全差分OTA的運(yùn)用增加了系統(tǒng)的共模抑制比。下面將分別對(duì)系統(tǒng)框圖和共模電平消除的方法加以介紹。三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電池組單元電壓獨(dú)處電路，應(yīng)用于電池組電壓檢測3.1電池組電壓讀出電路系統(tǒng)框圖該設(shè)計(jì)采用多路開關(guān)進(jìn)行選擇，對(duì)N節(jié)電池采用N個(gè)周期進(jìn)行測量，每個(gè)周期將開啟一節(jié)電池的采樣開關(guān)（如圖中所示，采集第一節(jié)電池電壓時(shí)CLOCK1開關(guān)閉合，其他開關(guān)斷開），這時(shí)第一節(jié)電池電壓將會(huì)通過共模電平消除電路消除共模電平并輸入后級(jí)電路進(jìn)一步處理。每個(gè)采樣周期共模消除電路工作一次，避免使用多路時(shí)的浪費(fèi)3.1電池組電壓讀出電路系統(tǒng)框圖該設(shè)計(jì)采用多路開關(guān)進(jìn)行選擇3.2共模電平消除電路電路原理首先Φ1、Φ1’為高電平，采樣電容CS對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，然后Φ1’比Φ1提前一定時(shí)間進(jìn)入下降沿，此時(shí)x點(diǎn)為高阻狀態(tài)，故當(dāng)Φ1變?yōu)榈碗娖?，即ks1開關(guān)關(guān)斷時(shí)，x點(diǎn)不再導(dǎo)通，即抑制了開關(guān)ks1的電荷注入效應(yīng)。當(dāng)Φ2為高電平的時(shí)候，Φ1、Φ1’此時(shí)為低電平，電路進(jìn)入保持狀體。CS上的差分電荷就傳到了Cf上，此時(shí)差分輸出電壓即為差分輸入電壓（CS=Cf）。電路結(jié)構(gòu)3.2共模電平消除電路電路原理首先Φ1、Φ1’為高電平，采進(jìn)一步研究工作電池組采樣開關(guān)由于較強(qiáng)的襯底偏置效應(yīng)將會(huì)影響電路性能，針對(duì)這種情況可以使用去襯底偏置效應(yīng)的電路加以改善。接下來研究如何將去去襯底偏置效應(yīng)結(jié)構(gòu)融入采樣開管之中進(jìn)一步研究工作電池組采樣開關(guān)由于較強(qiáng)的襯底偏置效應(yīng)將會(huì)影響電參考文獻(xiàn)Atmel2009,Li-Ion,NiMHbatterymeasuring,chargebalancingandpowersupplycircuit,California,viewed9June2009Band,A&Unguris,J1997,'Opticallyisolatedcurrenttovoltageconverterforanelectronopticssystem',PublishedPaper.NationalInstituteofStandardsandTechnology.Maryland.Bergveld,JH2002,'Batterymanagementsystems,designbymodelling',PhDThesis,DepartmentofElectricalEngineering,UniversityofTwente,ISBN90-74445-51-9,KluwerAcademicPublishers,Netherlands.DeVries,I2008,'Designconsiderationsofactivebatterycellbalancers',UnpublishedPaper,DepartmentofElectricalEngineering,CapePeninsulaUniversityofTechnology,CapeTown.Kultgen,L2009,'Managinghigh-voltagelithium-ionbatteriesinHEVs',EDN,4September2009,pp.45-52.LinearTechnologyCorporation2009,Multicellbatterystackmonitor,California,viewed9June2009Maxim2008,12Channel,highvoltagesensorwithsmartdataacquisitioninterface,Maxim,viewed9June2009PowerShield2010,Permanentmonitoringforlead-acidandNi-Cadbatteries.,viewed9March2011TexasInstruments2009,MSP430F2254mixedsignalmicrocontroller,Dallas,viewed25August2009Wagener,J2009,'InvestigationandDesignofamagneticallyisolatedDC-DCconverterforuseincellbalancing',AthesisinfulfilmentoftherequirementsfortheMagisterTechnologiaedegreeinElectricalEngineering,Dep