电源管理资料

电动车电池管理系统设计及实现

时间：2011-04-14 10:19:46 来源：电子科技作者：高琛厦门大学摘要：本文介绍了电池管理系统的基本功能，提出了一种分散数据采集和集中数据处理的实现方法。实现了电动车电池电压、电流及温度等参数的监控，保证电池在正常状态下工作，延长了电池的使用寿命。

关键词：电动车；电池管理系统；监测；控制

0 前言

电动车的开发和研究是解决能源短缺和改善环境的有效手段之一，是当代汽车发展的重要方向，“十一五”期间被列入了“863计划”重大专项。目前，电动车技术越来越受关注，影响电动车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题。延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制。

1 基本功能及系统结构

1．1 基本功能

电池管理是基于微计算机技术、检测技术和自动控制技术对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，进一步提高电池组的可靠性，达到延长电池使用寿命，降低运行成本的目的。电池管理要实现以下几个功能：

(1)数据采集：实时采集电动车电池组中的每块电池的端电压、温度和充放电电流。

(2)SOC(荷电状态)的估算：预报电动车电池的剩余容量，让用户了解电池的使用情况。

(3)电气控制：根据所检测的电池组中每块电池的有关数据，通过一定的运算处理，确定每块电池的充放电状态，当电池的充电达到额定容量时控制充电器停止充电，实现智能充电。当电池电量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过高时，及时报警并停止电池放电。

(4)数据显示：实时显示电池组总电压、单体电压、电流及温度参数。

(5)数据共享：与外部设备进行通信，实现数据的共享。

1．2 系统结构

电池管理系统主要应用在电动车上，在设计上应尽量使系统结构先进，合理可扩展；功能完备，满足电动车的全面要求；各种参数检测精确度好，可靠性高。根据这一设计思路，本文提出一种分散数据采集和集中数据处理的方法，设计了电压、电流、温度采集电路，通过中央控制单元完成算法与控制。其结构框图如图1所示。

电池管理系统采用中央控制单元(CECU)和本地智能采集单元(LECU)两级结构，本地智

能采集单元主要完成电池信息和状态检测，包括电压、电流、温度、充放电状态等的检测；中央控制单元完成数据的处理、SOC计算、逻辑判断和相应的控制。CECU和LECU的数据传输通过CAN总线通信，实现系统的集中管理与分布控制，方便电池在车上的分散布置，减少线束，提高系统的可靠性。

2 系统硬件设计

2．1 单体电池电压测量

单体电池电压测量的基本原理是采用分时测量的方法，把串联电压统一连接到检测总线A、B上。测量时，不同的时刻检测总线A、B分别连接在串联电池组中某一个单体电池的两端，这样，当按照一定的时间策略扫描时，就能让串联电池组中每一个单体电池的电压都能在检测总线A、B之间依次出现一次，起到把单体电池电压剥离出串联电池组的目的。具体实现是采用一组由n+1个开关组成的开关阵(n为串联电池数)，开关阵与串联电池组的连接见图2，连接的原则是单号开关的一端依次接奇数号电池的负极，另一端接检测总线A点，双号开关的一端依次接偶数电池的负极，另一端接检测总线B点。

开关阵每次导通两个，次序为：K1K2、K2K3、…KiKi+1、…Kn-1Kn、KnKn+1，通过这种每次只导通相邻两个开关的策略可以将单体电池电压从串联结构中分离出来，送到检测总线A、B之间。当第i和i+1开关导通时，A、B上的电压分别为：

显然，A、B之间形成了一对双端差模信号，该信号含有很高的共模信号。为了把检测总线A、B之间的双端差分电压信号转换成对地的单端电压信号，同时消除单体电池差分电压中的共模信号。图1电路中采用运算放大器A1、电阻R1、R2、R3、R4构成一个差分放大器，取R1=R2 =R3=R4，该放大器的增益为1。这样，A、B之间的电压UAB为：

UAB经过跟随电路和绝对值电路后，被A／D转换电路采样，实现了电池电压的测量。2．2 电流检测

电流采集采用闭环霍尔电流传感器。电动车额定工作电流为150A。为保证测量精度，电流传感器额定测量值为被测信号1-1．5倍较为合适，本文的霍尔电流传感器采用北京森社公司宇波模块CHB-200SF霍尔效应电流传感器。测量频率是0～100kHz，供电电压为正负15V，测量范围为0～200A，匝数比为1：2000，精度0．5％～1％，响应时间小于1 μs。其测量电路如图3所示。

传感器的输出电流经过采样电阻R5转换为电压信号。R5为精密金属电阻，R5=20Ω／2W。由于从传感器过来的电流是双向(-75mA-+75mA)的，因此其转换得到的电压是正负电压，这样不利于A／D采样。为此本文设计了一个加法器，它的功能是将以0V为中心的正负电压提升至以2．5V为中心的正电压(1～4V)，这个电压范围正好是A／D采样的范围。

2．3 温度检测

电池温度的测量采用DALLAS公司的DS18B20温度传感器。DS18B20是美国DALLAS 公司继DS18B20之后推出的增强型单总线数字温度传感器，其温度测量范围是-55～

+125℃，用户可以通过编程实现9～12位的温度转化结果，即具有可调的温度分辨率，最高分辨率可达0.0625 ℃。DS18B20内部对采样的结果可提供0．5℃的分辨率，采样结果以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。

系统需要采集多点的电池温度，本文曾考虑过采用DS18B20的多点组网功能来实现单体电池温度采样，但是多点采样时需要识别每个DS18 B20独有的ROM码，影响采样速度，同时无法将ROM码同器件的实际物理位置关联起来，所以多点组网功能不适合单体电池温度的巡检。本文提出一种同时启动，分时读取数据的DS18B20多点温度采样方法。该方法中DS18B20的采样启动和数据读取都是跳过ROM码校验进行的。DS18 B20的连接方式如图4所示。

图中K1、K2、……Kn表示的是光电继电器，其通断情况同样由移位寄存阵控制。一开始K1、K2、……Kn全部闭合，MCU向所有DS18B20发送采样启动命令，启动命令发送完后断开所有光电继电器，然后逐个闭合K1、K2、……Kn，读取相应传感器的温度数据，实现分时读取数据。采用同时启动分时读取数据的多点温度采样方法，其所用时间仅比单点温度采样所用的时间多了数据读取的时间，所以其采样速度比较快。

3 系统软件设计

3．1 LECU模块软件设计

本地智能采集模块负责将电池的各项信息采集后发送到中央管理模块。系统上电后，首先对各个变量、CAN通信和定时器进行初始化。各项初始化完成之后，开启两个定时中断Timer0和Timer1，进入死循环。Timer0产生定时中断后，进入中断服务程序启动电压数据采集，将采集到得数据存入指定的存储位置，中断时间为500ms。Timer1同样设置为500ms产生一个电断，进入中断后启动电流和温度数据采集，然后将采集到得电流、温度和单体电池电压数据一起通过CAN总线发给中央处理单元。本地智能采集模块的程序流程图如图5所示。

3．2 CECU模块软件设计

中央管理模块完成对LECU模块采集的数据的分析、处理和显示。主要包括充放电状态判断，对电压、温度进行排序，判断电池电压、电流、温度是否异常?如果异常，对异常情况做相应的处理和报警；根据电池的各项参数对电池进行SOC估算，在LCD上显示电池组的工作状态，包括总电压、总电流、电池组的最高电压与最低电压、最高温度与最低温度、各单体电池的电源、电池剩余电量SOC、充放电状态、报警信息等。中央管理模块的程序流程图如图6所示。

4 SOC估算方法

本文采用了一种综合的电量估计方法，它以开路电压法和安时积分法为基础，充分考虑各种影响因素并进行补偿。

(1)开路电压法获取每次上电的初始剩余电量SOC0开路电压法利用电池的放电深度与电池的开路电压的关系，通过测量电池的开路电压来估算SOC。在实际运用中，电池管理系统实时所采集的电池端电压在电池充放电的过程中变化比较大，不能准确地对应电池的开路电压，所以我们无法在运行过程中利用端电压来估计电池的剩余容量。但是，电池在停止充放电后，其端电压会发生变化，随时间逐渐趋于稳定。当端电压稳定时，这时的端电压与容量的关系就比较明确。电池静置的时间越长，其端电压越能表征其内部容量。所以可以考虑将电池的静置时间t作为参数，在电池静置前的容量SOCn与电池稳定后其端电压所表征的容量SOCm做一定的加权，如式(4)。

式中：T为电池端电压稳定所需的时间；t为电池静置时间(即两次使用的间隔时间)；SOCn 为电池静置前的剩余容量；SOCm为电池端电压稳定时的剩余容量。

理论上来说，T是一个无穷长的时间，但实际上，一般端电压的变化率小于一定值时就认为其是稳定的。电池稳定后其端电压所表征的容量SOC由电池供应商提供的电池参数确定。

(2)安时法确定放电状态下t时刻剩余电量SOCt假设在△t时间内，电池以恒定电流放电，在时刻n其电池时间容量为：

式中：△C(放电为正，充电为负)为△t时间内电池的充放电容量。

由C=Idt转化为积分形式后，即：

式中：Ct为t时刻电池的容量；C0为放电初始电池容量；i(t)为t时刻的电流。

由上式可估算出t时刻电池的剩余电量SOCt：

当然电池不是一个简单模型，它的电量受到温度、充放电电流、充放电循环次数、自放电等多种因素影响，其中有些因素对电量估计的影响很大。因此剩余电量的估算应该充分考虑各种因素的影响，并进行相应的补偿，如：充放电效率补偿、自放电及老化补偿、放电率补偿和温度补偿等。

5 总结

电池管理系统是电动车不可缺少的一部分，它运用各个学科的技术手段来实现电池状态的监控和管理，从而提高电动车运行的可靠性，延长电池的使用寿命，为电动车下一步的智能一体化提供了可扩展的平台。

电动汽车的电池管理系统控制

纯电动汽车（EV ）和混合动力电

动汽车（HEV ）正作为新能源车的主力，得到国家的大力推动和财政支持，这包括了“十城千辆”工程的启动和国家对电动汽车终端用户高额财政补贴等一系列重大政策的实施。特别是最近公布的新能源汽车试点城市由20个增至25个，以及《节能与新能源汽车产业发展规划》里提到，未来10年国家将拿出超过1000亿元的资金，用以扶持新能源汽车产业链的发展。在众多厂家的努力下，将可使电动汽车产业的规模化和市场化尽早形成。

目前，动力总成控制系统和电机及驱动系统有很多厂家正在研发和改进中，动力电池的能量密度、可充放电次数也已基本达到电动汽车的要求。因此，如何有效地让电动汽车的动力系统工作在最有效的状态，电池管理系统做为动力电池系统的监控者，其关键的作用就是在保证电池安全使用和寿命的前提下，充分发挥电池能力。

什么是电池管理系统

电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC&SOH状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。

电池管理系统的基本功能如下，这些功能可以满足大部分手机电池、电动工具、电动自行车的应用。

·监测单体电芯的工作状况，例如单体电池电压、工作电流、环境温度等。

·保护电池，避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短，损坏，甚至发生爆炸、起火等危害人身安全的事故。

– HW 过压（OV）和欠压（UV）保护

– HW过流（OC）和短路（SC）保护

– HW 过高温（OT）和过低温（UT）的保护

–为电池提供多重保护以提高保护和管理系统的可靠性

–硬件执行的保护具有高可靠性

–软件执行的保护具有高的灵活性

–管理系统关键元器件失效的保护为用户提供第三重保护

电池管理系统的设计要求

电动汽车必须满足“以人为本”的安全理念以及汽车电子高可靠性的要求。由于电动汽车处在高速行驶（>80km/hr），车辆的安全驾驶及各种保护动作必须由驾驶员、车辆管理系统，充电器和电池集成系统共同决定，而电池管理系统不仅要为电机提供足够的动力，已满足汽车各种工况行驶的要求，而且要采集自身电池的各种信息，对自身工作状态有一个精确的计算和判断，然后要把这些信息准确无误地传递给车辆管理系统和驾驶员，使车辆管理系统和驾驶员做出正确的驾驶动作，以便在保证电池安全的前提下，充分发挥电池的潜力，延长电池的寿命。

汽车级电池集成系统必须满足汽车电子的要求，支持在线检测和故障诊断等功能，通过TS16949的认证。因此电动汽车用电池集成系统对电池的管理提出了更高的要求：

·电源及动力系统的集总分布式、层次化，模块，从而提高电池集成系统的寿命

·电池的温度检测和热管理

·电池的健康状况和剩余电量的估算和显示

·在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技术含量

·动力总成技术就是在保证电池在安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保证电池的性能，提高电池的寿命

·高可靠的通讯协议

表：电动自行车和电动汽车电池管理方案的介绍和比较

电池管理系统的芯片集成技术

汽车电池系统的可靠性要求极高，特别是高压监控部分，电池均衡部分。由于集成的解决方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，从而导致：

·元件匹配度不好，信号采集的精度下降

·外部节点增多，难以做到自动化测试，提高测试成本，降低测试覆盖率，系统可靠性低·外部元件的功耗很难控制

·系统尺寸大，成本高

凹凸科技(O2Micro)在动力锂电池的保护和管理技术已经有十年以上的经验，是全球领先的动力电池管理芯片的供应商。值得关注的是，凹凸科技(O2Micro)是全球第一家提供支持13节电池单芯片前端检测的方案提供商，该芯片OZ890最多支持16颗串联可以支持到208节的应用，目前采用该芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。随着电动汽车领域的发展，凹凸科技(O2Micro)的电动汽车电池管理芯片集成了O2Micro在动力电池的最新科技和管理的成果，如高速、高精度数据采样、高压通讯技术以及支持全面的系统诊断，使得管理系统性能更加强大，更加可靠。

表：以标准电池模块为例介绍分立元件的方案和集成方案的比较

由此可见，集成芯片的解决方案对提高系统的可靠性、降低成本具有十分重要的作用，是电池集成技术中硬件设计技术的核心。

凹凸科技电池管理系统方案

目前采用凹凸科技(O2Micro)芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。这些锂电池管理系统的主要架构为：锂电池管理系统由O2Micro提供前端AFE，带微处理器的本地控制单元，中央控制单元和一些输入输出接口组成。电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态，包括电池的单体电压、系统电压、系统电流和电池的温度，实时估算电池的剩余容量，管理电池的工作情况，避免出现过充、过、，过热，以及单体电池之间电压严重不平衡的现象，以便让电池达到最大限度的循环寿命。

为了让电动汽车整车的动力分布更合理以及尽量提供最大的输出能量，大部分纯电动汽车的电池管理系统都是分布式的架构；而混合动力车由于电池包相对比较小，所以会存在集中式的架构。无论何种架构，凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片都可以实现对电池的监控。

图：采用凹凸科技(O2Micro) 芯片的锂电池管理系统的架构图

在分布式锂电池管理系统里凹凸科技(O2Micro)的多串电池管理芯片OZ890支持可达13路电压检测通道和3路外部温度检测通道，作为AFE可以采集系统中所有单个电芯的电压和温度信息，然后通过I2C总线把此信息传递给本地电控单元，再经过本地电控单元的处理传递给中央电控单元。可以根据系统中每个电池包的电池串的多少，去决定每个电池包中所用的前端检测芯片OZ890的个数。同时OZ890可以根据采样的信息以及电控单元的控制，对不平衡的电芯进行均衡控制，以延长整个电池管理系统的寿命。而电池包的个数，更是取决于系统电压以及整车中动力的排布。

凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片除了可以应用在锂电池管理系统中，也可以应用于铅酸电池管理系统。对于传统的铅酸电动车而言，因为不会像锂电池存在不安全性，所以大部分应用中都没有采用管理系统。其实铅酸电池在电动车中同样需要管理系统来防止电池过充、过放、过温，因为这些现象的发生都会对铅酸电池造成不可逆的损坏，造成整个系统的循环寿命的下降；同时，铅酸电池的自放电很大，很难控制，就会容易造成电芯之间不均衡的现象，虽然电芯厂已经经历对电芯实行配组筛选，也很难做到一致，导致部分电池过充或者过放，从而导致电池的寿命下降，也提高了电池的维护成本，所以铅酸电池管理系统的均衡功能就非常重要。凹凸科技(O2Micro)的电池管理芯片的ADC动态范围很广，可以应用于铅酸电池的管理系统中，做到基于单体电池的监控和均衡，延长了电池的寿命，降低维护成本。

铅酸电池的管理系统功能和锂电池系统类似，由于铅酸电池标准包大部分是12V、6V，或

者储能的2V。如果12V的包，那就是6个2V的单体组成的包，这也限定了前端采样的使用个数。而电池包的个数则由整车电压和整车动力分布所决定。

铅酸电池管理系统中采用凹凸科技(O2Micro)的OZ8930或OZ8940芯片作为前端监控，负责铅酸电池模块中每个单格2V的采样，以及有2路温度检测通道负责监控铅酸电池的温度。AFE所有采集的电池的状态和信息都会通过I2C传递给本地电控单元；本地电控单元处理之后再送给中央电控单元。中央电控单元会根据整个系统中电池的状态去让AFE适时对相应的电芯做均衡管理，同样中央电控单元也会把电池系统的信息反馈给整车中央控制器，整车控制器会根据电池的状态去控制电机以及充电器，从而保证电池系统在一个安全可靠的范围内运行。

总结

随着电动汽车的发展和动力电池普遍使用，电池管理系统的作用越来越重要。电池管理技术就是通过实时检测和估算电池状态、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并据此提供电池（组）的优化使用方法，既防止电池（组）出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性，实现电池容量和能量利用的高效性。凹凸科技(O2Micro)通过和系统厂商及电池厂商的紧密协作，越来越多的产品被应用到动力锂电池的保护和管理的领域，并开发出动力锂电池的管理系统，成为动力电池管理技术的领跑者和市场的开拓者。凹凸科技(O2Micro)开发的锂离子和铅酸电池管理系统，可延长电池的循环寿命，已逐渐应用于电动车和各种储能市场，极大提高了系统的附加值。凹凸科技(O2Micro)愿意为中国乃至全球电动汽车的发展，贡献自己的绵薄之力。

电动汽车电池管理系统的多路电压采集电路设计

[日期:2008-01-17 ] [来源:电子设计应用作者:卢居霄等] [字体：大中小] (投递新闻)

摘要：本文介绍了电池管理系统中一种新颖的多路电压采集电路，该电路应用于采集电池单体电压数目比较多的情况下，能够显著减少电路板的面积并降低成本，同时对测量精度影响不大。针对电路在软件仿真和实际应用中出现的一些问题，本文分析其原因，并加以改善。

蓄电池是电动车的主要动力源。为保证电动车的正常和安全行驶，电池管理系统必须实时监测电动车电池的电压数据。通过电压采集电路和A/D转换实现电压数据的获取。而为了避免电池的不均衡性带来的局部过充/过放所引起的安全问题，要求监测系统必须对每个单体或几个单体电压进行精确测量。如果采用传统的多路电压采集方法，当电池单体数目较多时，整个管理系统的设计与实现会有成本高、一致性差等缺点。本文以电动车用铅酸电池为对象，设计了一种新颖的多路电压采集电路。

电池监测系统中电压巡检的硬件结构

一般电动汽车配备10~30节电池，单体(模块)电压范围为3~20V，电池使用时串联，蓄电池端电压将达到200V以上。

图1采用电路选通回路的电池管理系统的电压采集方法

图2 部分电压信号调理电路

本文提出了如图1所示的设计思路。设计通过移位开关电路依次选通被测回路，通过A/D 采集单路数据，完成数据采集。这种设计方法具有以下优点：

1. 电路简单。简化制作PCB板和布线过程。

2. 使用的器件少，成本低。采集电路中主要成本来自ADC，而该电路只需要1个ADC即可。

3. 能够解决由于运算放大器等芯片的参数不均匀而引起的一致性较差的问题。

采集电路描述

采集对象为电动车用铅酸电池，需要对26节电池模块进行实时的电压、电流和温度监测。测量模块电压范围为8V~20V，电池串联。按图1的设计思路，采用巡检电路管理电压数据的采集。

电路概述

电路中的信号巡检部分如图2所示，电路共26路输入，图2中只表示其中两路。

在电路中，U1~U3为串联模块电压信号的输入端，从U1到U3电势逐渐降低，每两个相邻输入端点之间为一个电池模块(12V)。电压信号经过此电路后，接入后面的分压电路和ADC。C1~C2为控制信号，当控制信号为'0'时，光耦P521处于关闭状态，使得PNP和NPN三极管处于关闭状态，此时电压信号输出至ADC的通道关闭；当控制信号为'1'时，光耦开通，电路中PNP和NPN三极管的基极产生反向电压。此时，电路中三极管基极电流Ib为：

参考图2电路中的数据，可得电路发射极及集电极的电流Ice为：

由于Ib·β>>Ice，所以输入回路中PNP和NPN三极管处于饱和状态。电压信号输出至ADC 的通道开通，实现模块电压数据的选通。

在本设计中，共有26路通道，通过26路信号控制，实现采集信号传输的选择。本设计选用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572控制信号的高低电平，使26路控制信号依次处于信号'1'状态，每当一路导通时，其他回路处于关闭状态，实现电路的开/关控制。

电压信号从UOUT输出后，经过20V双向瞬变二极管去除毛刺后接入分压电路，分压电路的输出直接连入ADC，完成信号的采样。通过单片机控制CPLD的输出和系统的采样周期，在CPLD开通每路控制信号2ms后采样数据。

采集电路仿真与分析

实际应用中，会出现以下问题：

接入4路9V电池模块，电路工作正常。把26路16V电池模块依次接入电路，共400V。在连接至第22路时，三极管被击穿。

用Electronics Workbench仿真软件通过电路仿真对电路进行分析。分析主要通过两步进行，首先分析单路导通过程中尖峰产生的原因，然后分析整体电路连续导通时的尖峰过程。

单路仿真

单路仿真模型如图3所示。

图3单路仿真模型

其仿真波形的每个方波的上升沿和下降沿都有一个小尖峰，将波形放大后得到尖峰的峰值为500mV。分析产生尖峰的原因有以下两点：

1. 回路中感性元件的影响

一般电路中导线都有感性，发生变化时，电路中的感性元件会产生感应电动势，可能会引起电路中的尖峰。搭建如图3的模型，通过改变电感的感抗分析感性元件对电路的影响。

通过仿真可得，电感感抗为4.7 mH电路的尖峰峰值为500mV，而100 mH感抗电路的尖峰峰值为3V左右。进行多组仿真可以得到：电路中电感感抗越大，尖峰的峰值越高。

２. 三极管开关时间特性的影响

每个回路中有PNP和NPN两个三极管，而这对三极管的导通时间的差异对尖峰的产生也有影响。

如图4所示，分析单路中两个三极管导通的过程。当两个三极管的导通时间不同时，如果一个三极管处于导通状态，而另外一个尚未导通，此时UOUT和GND中一端由于三极管导通而与输入电压(U1或U2)电位相同，而另一端则由于三极管没有导通而处于未知电平状态，如果此未知电平小于输入低电平，则可能在三极管导通的瞬间产生尖峰。在两个三极管关闭的时候亦然。

在图3搭建的模型中，观测回路中NPN三极管两端的波形，当NPN三极管关闭时，三极管的ce两极有-250mV的压降，而三极管导通时，ce两极间有250mV的压降。由此可知在图4中，三极管关闭时B点与GND之间存在250mV的压降，从而在Q1导通而Q2未导通时，UOUT-GND间电压比U1-U2间电压高250mV，通过以上分析，在Q2导通时，会产生250mV 的尖峰。

对于单路电路来说，三极管开关特性影响的数值是定值，为0.25V。在图4中可以看到，当电感感抗为100mH时，电路的峰值为3V，可知电路中感性元件对电路的影响占主导地位。

多路仿真

多路仿真模型如图５所示。

图4 导通电路

图5 多路仿真模型

模型共有4路通道，每路电压为12V，采用电流开关控制采集通道的选通，控制电路为74LS138片选芯片。片选的三个输入端是频率为1000Hz、500Hz和250Hz的脉冲信号，这样，在输出端从Y0到Y7依次产生低电平信号，模型选用其中4路作为电流开关的控制信号。

当模型的第1路开通时，输出波形有比较明显的尖峰(峰值为10V左右)。而在其他路开通时，输出波形的尖峰比较小(峰值为1V左右)。而由单路仿真可知，电路中由感抗引起的尖峰一般不会到10V。

观察第1路PNP管上的波形，见图６。图中，位置靠下的曲线为c极的波形(图7中B点的波形)，位置靠上的曲线为e极的波形(图7中A点的波形)。从图中可以看出，在所有4路三极管都关闭的时刻，输出点B的电压比输入点A低24V左右，即D点电压低于A点24V 左右(三极管关断时B、D两点电压相同，参见图6)。当PNP管的导通时间比NPN管短时，图7中通路打开前A点电压高于D点24V左右，当PNP管导通而NPN管还没有导通的时候，输出回路的压降UBD为24V，而当NPN管导通形成回路以后，要求输出压降下降到电池输入两端的电压值，即12V，此时，输出回路经过放电达到要求，而产生第1路导通时刻的尖峰。

由于电路是依次导通的，在上一路电路关闭时，输出端的电势维持在关闭前的状态，由此不会产生过高的尖峰。而小尖峰产生则主要是由电路感抗引起的。

当输入路数比较多的时候，在所有回路都关闭时，输出回路处在某个未知电平。当三极管开关时间特性不同时，在导通瞬间，输出波形中会出现尖峰，输入回路中与PNP管相对应端的电势越高，输出的尖峰则越高。

下面测量实际电路的波形，首先接入6路左右的16V电池组，用示波器观察输出回路中UOUT与地线之间的电压。第一路电池组导通时，输出电平左端有尖峰出现，实际波形与分析的吻合，搭建的仿真模型有效。

改进方案及改进后电路测量数据的精度

根据仿真结果，确定电路出现问题主要有以下两个原因：

1. 回路中感性元件的影响；

2. 三极管开关特性的影响，此为主要原因。

针对分析结果的改进方案

在本系统设计中，采取了以下改进措施：

1. 并联电容

为了消除电路中电感对电路的影响，在输出回路的两端并联电容。并联电容基本上与回路的电感呈一定比例，而使得电路呈纯阻性。

2. 串联限流电阻

在每对三极管和二极管中串联限流电阻，可以保护三极管不会由于过流而击穿。同时，由于此限流电阻还有分压作用，使得瞬变二极管上的电压进一步降低，使瞬变二极管不易被击穿。

图6 第1路PNP三极管两端的波形

图7 第1路仿真模型

改进后的电路

经过在回路中串联限流电阻，电路的安全性得到保证。但电路的一致性和线性则需要进一步测试。

一致性测量

测量一致性的主要问题是电路中串联的限流电阻的阻值之间有误差。在电路中串联的限流电阻为20k，误差为1％。分别输入9V和16V待测电压，分别接入26路输入端，得到的测量数据不在此详述。

由数据可以看出，第22、23、25和26路的测量结果偏小，最大测量误差为1.25%，测量一致性良好。

线性测量

由于电路中使用了三极管等非线性元器件，所以测量的线性需要验证。验证时，随机抽取一路，输入电压在2.0V~20.0V之间，每隔1V测量一次数据，测量数据也不在此详述。

通过数据可知，输入电压在5V以下时，测量数据是不可靠的。当输入电压高于5V时，测量数据与输入电压基本呈线性关系。由于本系统主要用于镍氢电池的测量，模块电压为12V 左右，电路可以满足测量要求。

结语

本文就A/D采样测量电路中常用的多路电压采集电路提出了一种设计方法。针对电路使用中出现的问题，结合Electronics Workbench电路仿真软件搭建模型仿真电路，提出了电路的改善方法。经过验证，电路的一致性和线性较好，同时又具有电路简单、器件少等优点。

参考链接：https://www.360docs.net/doc/ab11577837.html,/news/2008-01/2365.htm