基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計

引言
隨著人們環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。針對電動汽車電池管理系統而言，又以前端數據采集、電池均衡管理、SoC電量計量、實時通信以及電池絕緣監測最為關鍵。其中，前端數據采集最為基礎。然而，在電池數據采集系統中，需要解決的一個共性問題就是多個電池串聯使用時高電壓、測量系統等問題有可能會引起危險。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。進行現場測量時，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。為了保證系統工作的安全性，并且減少環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 系統設計方案
電池管理系統的主要工作原理可簡單歸納為：首先數據采集電路采集電池狀態信息數據，再由單片機進行數據處理和分析，然后根據分析結果對系統內的相關功能模塊發出控制指令，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。

在電動汽車系統中，數據采集是整個電池管理系統的基礎和關鍵，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的安全可靠運行至關重要。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行差分即可。電壓采集電路如圖3所示。AQW214為高性能和經濟型兼備的半導體繼電器，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％)、高穩定度、頻帶寬(>1 MHz)、設計靈活的優點。通過外接不同分立器件，方便實現多種光電隔離轉換電路。HCNR201由高性能發光二極管LED及具有嚴格比例關系的光電二極管PD1和PD2構成，HCNR201原理圖如圖4所示。LED發出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于產生輸出電流；PD1用于伺服回授機制上，對發光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。這種結構保證了線性光耦的高穩定性和高線性度。