Jim Williams Linear Technology AN112 "Последние достижения в области измерения напряжения составных батарей" (перевод)

Приложение A

Гора отрезанных ушей при полном отсутствии Ван Гогов

Идеи, которые не работают

Проблема многоэлементных батарей существует уже долгое время. С разным успехом было перепробовано множество подходов. Задача формулируется просто: требуется несложное технически и оправданное экономически решение. Основные кандидаты со всеми их недостатками прилагаются.

Схема на рисунке A1 предлагает решать проблему высокого синфазного напряжения, преобразуя напряжение на элементах в ток. Операционные усилители подключены ко входному мультиплексору АЦП. Декодированные данные с АЦП отражают напряжения на элементах батареи. У такого подхода есть серьёзные недостатки. Номинал и требуемые точностные характеристики резисторов нереальны, причём степень неадекватности требований растёт вместе с числом элементов батареи. Кроме того, резисторы отбирают ток батареи - явный недостаток, недопустимый в большинстве случаев.

Рисунок A1. Неработающая схема учёта синфазного напряжения преобразованием напряжения в ток. Чтобы выяснить напряжение элемента, требуется декодировать выходы усилителей. Требования к точности и номиналу резисторов нереалистичны. Резисторы отбирают ток батареи

Подход, использующий изолирующие усилители, показан на рисунке A2. Преимуществом изолирующий усилителей являются плавающие входы, полностью гальванически изолированные от выходных клемм. Обычно подобные схемы содержат схему модуляции-демодуляции и изолированный источник, питающий входную цепь (*4). Входы усилителя подключены к конкретному элементу батареи; изолирующий барьер не позволяет синфазному напряжению исказить результаты измерения. Такой подход работает очень хорошо, но требует отдельного изолирующего усилителя на каждый элемент батареи, что сложно и очень дорого. Некоторая оптимизация возможна: один источник питания может обслуживать много усилителей, но и такое решение остаётся дорогим и сложным.

Рисунок A2. Изолирующий усилитель обеспечивает гальваническую развязку входов, исключая влияние синфазного напряжения. Подход работает, но сложен и дорог, так как требует отдельного изолирующего усилителя на каждый элемент батареи

Схема на рисунке A3 использует переключаемые конденсаторы для измерения напряжения элемента и отсечения синфазного потенциала. Тактируемые ключи попеременно заряжают промежуточный конденсатор от измеряемого элемента и разряжают его в выходной измерительный конденсатор (*5). После нескольких таких циклов заряда-разряда можно считать, что измерительный конденсатор зарядился до потенциала измеряемого элемента. Напряжение измерительного конденсатора буферируется выходным усилителем. Такая конфигурация отсекает синфазное напряжение, но требует много дорогих высоковольтных ключей, высоковольтную же схему сдвига управляющего напряжения для них и источник неперекрывающихся импульсов управления. Менее очевиден тот факт, что утечки ключей ухудшают точность, особенно при повышении температуры. Проблемы сдвига управляющих сигналов могут решить оптические ключи, которые доступны в виде стандартных микросхем. Но проблемы стоимости, утечек и напряжения пробоя остаются (*6).

Рисунок A3. Схема на переключаемых конденсаторах убирает синфазное напряжение, но требует высоковольтных ключей, источника неперекрывающихся имппульсов управления и сдвига уровня. Утечки ключей ухудшают точность. Ключи с оптическим управлением могут упростить управление, но проблемы с напряжением пробоя и утечками ключей остаются

Недостатков схемы на переключающих конденсаторах лишён подход A4. Потенциал каждого элемента измеряется индивидуальным АЦП, данные с которого передаются через изолирующий барьер с помощью цифровых развязок (оптических или трансформаторных). В наипростейшей конфигурации каждый АЦП запитывается от отдельного изолированного источника. Число таких источников можно уменьшить, но нельзя исключить совсем. В список ограничений входят напряжение на элементе, а также допустимое синфазное и питающее напряжение АЦП. В пределах перечисленных ограничений один изолированный источние питания может обслуживать несколько каналов АЦП. Дальнейшие улучшения возможны при использовании многоканального преобразователя. Но даже со всеми этими доработками для многоэлементных батарей требуется заметное число изолированных источников. Несмотря на то, что данная схема выглядит технологичной, она сложная и дорогая.

Рисунок A4. Один АЦП на элемент батареи требует изолированного источника питания и линий данных. Преобразователь с мультиплексированными входами позволяет уменьшить количество АЦП и источников питания, но не избавиться от них вовсе