固態(tài)繼電器為電動汽車監(jiān)測

www.middletowncarescoalition.com 來源：世界電子元器件　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-5-5 1

電動汽車常被喻作“歸來的孩子”，因為這項技術(shù)在多年前進(Forward)入市場(Rialto)后便一直沉寂，直至最近才再次活躍起來。其實，電動汽車早于1835年首次于美國出現(xiàn)，到1899年，紐約市接近90%的出租車都是由電力驅(qū)動。然而，當電力啟動器和內(nèi)燃機變得完善時，電動汽車的使用就迅速衰退。隨著如今對環(huán)境保護的關(guān)注，由燃燒碳氫化合物造成的污染，加之汽油成本高升的影響，再次引起了人們對電動汽車或混合驅(qū)動汽車的興趣，同時也加促了這項技術(shù)的發(fā)展進程。其中一項發(fā)展中的技術(shù)是固態(tài)繼電器 (SSR)，這是監(jiān)測電動汽車電池電壓的理想元件。以往，這類應(yīng)用使用的是機械繼電器或干簧繼電器。機械繼電器的功耗大，而且由于機械觸頭磨損使到壽命較短，并需要等待時間來讓繼電器觸頭穩(wěn)定或去彈跳。干簧繼電器能將磨損和彈跳問題降至最少，但在需要高耐壓時成本太高。固態(tài)繼電器便能夠提供另類的解決方案，功耗較少之外還能避免觸頭磨損和彈跳的問題，而且成本也低于干簧繼電器。監(jiān)測電動汽車電池電動汽車的推進系統(tǒng)包括電動機、驅(qū)動電子線路、機械傳動、車輛控制/功率管理、充電系統(tǒng)，以及電池（圖1）。每個部分的性能對于車輛的運行都非常重要。電動汽車的長期性能很大程度上取決于如何維持電池和電池充電系統(tǒng)的良好效能。今天，電動汽車使用鉛酸、NIMH、鋰離子、鋅氣、氫燃料電池或其它特殊化學(xué)物質(zhì)作為電源。決定這些電源壽命的一般做法是管理其充電狀態(tài)和充電速率。充電速率可以通過測量電池的充電電流、電池溫度和接線端電壓來確定。電動汽車或混合汽車的電池系統(tǒng)是由75至150個2V電池單元串聯(lián)而成。這種串聯(lián)連接方式可產(chǎn)生150至300V的電壓，因而增加了測量每個電池接線端電壓的難度。高電壓排除了在每個電池接線端上跨接標準差分運算放大器的應(yīng)用。每個電池電壓的測量需要使用切換網(wǎng)絡(luò)，用于連接電池串中每個電池兩個接線端子之間的隔離或浮動A/D轉(zhuǎn)換器，并需要切換系統(tǒng)將該"電壓表"依次跨接到150個電池上。固態(tài)繼電器陣列 + 微控制器可解決問題使用固態(tài)繼電器陣列可輕易實現(xiàn)電池對電池的測量隔離，以及電池和控制電路之間的隔離。圖2所示的功能框圖是電動汽車電池系統(tǒng)的一個示例。電池系統(tǒng)由150個2V電池串接而成。這種配置可提供300V的組合電壓。測量這種直流高壓需要使用隔離電壓測量系統(tǒng)，可由微控制器隔離電壓表和隔離開關(guān)控制器來實現(xiàn)。 SSR陣列在本例中，電池測量系統(tǒng)由151個飛兆半導(dǎo)體的HSR412固態(tài)繼電器開關(guān)陣列組成，可提供400V的關(guān)態(tài)閉鎖電壓。每個繼電器均為單刀單擲 (SPST)、常開(NO)光觸發(fā)開關(guān)。這些繼電器使用少至3mA或5mW的LED驅(qū)動器電流驅(qū)動，其低啟動功耗特性可省去繼電器驅(qū)動器IC的使用。測量電池電壓的第一步是將隔離電壓表跨接在電池上，請仔細觀察圖2來了解實現(xiàn)方法。隔離電壓表的輸入與雙線測量通路連接。該總線的接線端標有A和B。各電池單元上的測試點由SSR(N)和SSR(N+1)測試，這里(N)是當前被測試電池的編號。第1號電池的測量由閉合SSR1和SSR2完成，并保持其它149個繼電器開路。閉合兩只SSR可通過SSR(1)的輸出將1號電池的電源正與絕對轉(zhuǎn)換器的節(jié)點"A"連接，通過SSR(2)將電池的電源負與節(jié)點"B"連接。第2個電池通過打開SSR(1)，并在SSR(2)保持開的狀態(tài)下閉合SSR(3)來測量。這樣依次通過SSR(2)的輸出將2號電池的電源正與節(jié)點B連接，通過SSR(3)的輸出將電池的電源負與節(jié)點A連接。然后重復(fù)該過程，直到測完所有電池。這時，電壓表返回至1號電池并重新開始測量過程。尋址SSR 測量順序是由微控制器(MCU)控制的。要測量某個電池，MCU會發(fā)出一個與被測電池相對應(yīng)的8位數(shù)字地址。該地址被傳到由11個74HC154多路轉(zhuǎn)換器組成的解碼區(qū)。數(shù)據(jù)通過高速(High Speed)HCPL2631光電耦合器的8信道陣列發(fā)送。光電耦合器用來提供300V電池電壓和底板接地之間的共模電壓隔離。HCPL2631光電隔離器的雙信道密度能將區(qū)內(nèi)的元件數(shù)量減少至4。所有電池均會每3ms尋址一次，這是HSR412 SSR接通和斷開所需的時間。當電池被尋址后600us，即會進行電池電壓測量。SSR的接通時間小于500us，這會給MCU的10位A/D轉(zhuǎn)換器留下100us的訪問時間。個別SSR的接通和斷開時間之和與電池數(shù)相乘，便得出循環(huán)時間。使用HSR412時，測量150個電池的時間少于450ms。 300V 共模電壓當測量某個電池時，Vn到V(n+1)通路電壓約為2V，這是差模電壓。Vn到V(n+1)電壓至底板接地在300V至2V范圍內(nèi)，視乎被測電池而定。HSR412的400V關(guān)態(tài)鎖閉電壓很容易應(yīng)付這種高300V 的共模電壓。切換陣列控制電路也必須能適應(yīng)這300V的共模電壓。SSR輕易地解決了這個問題。LED和SSR開關(guān)之間的隔離電壓為4KV(RMS)，這對于300V系統(tǒng)已經(jīng)足夠。對應(yīng)300V共模電壓須要使用隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器為微控制器供電。將電池數(shù)據(jù)發(fā)送至車輛控制計算機 MCU記錄電池電壓的絕對值，并將該值和電池編號保存在板上存儲器中。整個測量周期結(jié)束時，可對數(shù)據(jù)加以整理，以符合標準汽車串行總線格式。例如CAN總線。一經(jīng)整理后，數(shù)據(jù)會立刻經(jīng)由雙向光隔離鏈路發(fā)送至車輛控制計算機。該鏈路由兩個高速(High Speed)HCPL-0600邏輯兼容光電耦合器構(gòu)成。數(shù)據(jù)在收到并被確認后，便會重復(fù)整個測量循環(huán)。總結(jié) 實時監(jiān)測電池在電動汽車或混合汽車是非常重要的參數(shù)。在測量系統(tǒng)中使用光學(xué)耦合SSR，可保證在高共模電壓的情況下獲得高測量可靠性和信號完整性。固態(tài)繼電器解決方案消除了使用機械繼電器解決方案時所遇到的觸頭磨損和彈跳問題。個別電池電壓的健康狀態(tài)，可為駕駛者提供關(guān)于剩余電量和行駛距離的第一手信息。