基于HCNR201的电压采集隔离电路设计

引言
随着人们环保意识的增强以及能源的日趋紧张，锂电池的电动汽车受到国家和民众的广泛关注。为确保锂电池安全使用，电动汽车在使用时都会配备一套电池管理系统。针对电动汽车电池管理系统而言，又以前端数据采集、电池均衡管理、SoC电量计量、实时通信以及电池绝缘监测最为关键。其中，前端数据采集最为基础。然而，在电池数据采集系统中，需要解决的一个共性问题就是多个电池串联使用时高电压、测量系统等问题有可能会引起危险。为了排除这些危险，在电池数据采集系统中要用到隔离电路。进行现场测量时，也会有各种电磁干扰信号迭加在有用的被测信号上，会使测量的准确度降低。为了保证系统工作的安全性，并且减少环境噪声对测试电路的影响，往往将被测电路与测试电路进行隔离，这就需要用到光电耦合器。

1 系统设计方案
电池管理系统的主要工作原理可简单归纳为：首先数据采集电路采集电池状态信息数据，再由单片机进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。电池管理系统中最为重要的就是如何把数据采集到单片机中。
电池管理系统有集中式和分布式。分布式电池管理系统方案是指为每节电池配备一个子模块，每一个子模块能单独完成电池电压、温度采集，隔离，A／D转换以及通信等功能。分布式电池管理系统结构框图如图1所示。

在电动汽车系统中，数据采集是整个电池管理系统的基础和关键，尤其是对于锂电池而言，采集的精度和速度对电池的使用寿命乃至整个系统的安全可靠运行至关重要。采集的数据主要包括：各电池电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息。其中电压采集除了有以上作用外，还涉及到电池均衡的方面，所以电压采集是数据采集中的重中之重。图2为单体锂电池电压采集系统结构框图。其中，差分电路将单体锂电池的电压转换成单端的电压信号，使用隔离电路是为了确保系统的安全性，电压跟随电路使得信号不衰减地传输到后级电路中，最后进入A／D转换并传送至MCU。

2 基于HCNR201的电压采集电路
2．1 电压采集电路
目前有很多用于锂电池电压采集的方法，如电阻分压法和锂电池管理系统专用芯片法等。由于单体锂电池数据采集系统只采集单体电池的电压，故直接将电池两端的电压进行差分即可。电压采集电路如图3所示。AQW214为高性能和经济型兼备的半导体继电器，用其来断开电池与测量电路，使得电池电压采集系统不工作时不会通过测量电路漏电。除此之外，AQW214也充当了保护电路的角色，因其开路时的漏电流极小，所以开关断开时不会威胁到电路的准确性和安全性。

2．2 基于HCNR201的电压隔离电路
HCNR201是美国Agilent公司推出的一款高精度线性光耦，具有低成本、低非线性度(0．01％)、高稳定度、频带宽(>1 MHz)、设计灵活的优点。通过外接不同分立器件，方便实现多种光电隔离转换电路。HCNR201由高性能发光二极管LED及具有严格比例关系的光电二极管PD1和PD2构成，HCNR201原理图如图4所示。LED发出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于产生输出电流；PD1用于伺服回授机制上，对发光LED的导通电流予以补偿，改善输入与输出电路问的线性和温度特性。这种结构保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。

电压隔离电路如图5所示。电路实现信号与系统隔离及线性测量双重功能，主要由HCNR201及运放构成。工作原理：LED、PD1、Q1及运放U1等组成测量电路的输入部分并形成负反馈，U2、PD2等构成电路的输出部分；当输入电压变化时，在运放U1的作用下，LED电流IF随着调整；光耦的物理结构决定PD1与LED成线性比例，所以流过PD1的电流IPD1跟随着输入电压变化；又PD2与PD1成严格比例关系，同样IPD2跟随输入电压变化，通过运放U2及电位器R1将IPD2转换成输出电压，最终实现输出电压与输入电压的精密线性关系。补偿电容C1及C2用于改进电路稳定性、减小电路输出噪声及限制电路的工作带宽于10 kHz左右内；二极管D1起续流作用，防止LED完全关断时过高反压加在LED两端。

2．3 实验分析
在确定具体的参数后搭建电路，并对该电路进行验证。前端输入电压由微机电源经可变电阻分压后提供，电路的输入／输出电压经万用表测量后得出相应数据。隔离前后输入／输出电压的比较如表1所列。

由表1中的数据可以得到通过Matlab绘出的实际图形。输入／输出电压及其最小二乘拟合直线如图6所示。其中“口”表示理想状态下的数据点，“*”表示实测所对应的数据点，连线是最小二乘法对所测数据进行的拟合直线，该拟合直线的方程为y=0．9969x+0．0091，其最佳斜