串聯(lián)電池電壓及溫度測(cè)量方法研究

摘要：電池是電動(dòng)車的能量之源，其性能和使用壽命是用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，電池性能和電池的電壓及溫度密切相關(guān)。本文提出了一種由移位寄存陣控制光電繼電器通斷的單體電池電壓測(cè)量方法。相對(duì)于其他測(cè)量方
法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵字：串聯(lián)電池；電壓；溫度；移位寄存陣
中圖分類號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-883X(2011)03-0024-04

一、引言

在提倡節(jié)能減排的時(shí)代背景下，新能源的研究正成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，以電為動(dòng)力的電動(dòng)車就是研究的熱點(diǎn)之一。電池是電動(dòng)車的能量之源，為確保電池組性能良好并延長(zhǎng)其使用壽命，需要對(duì)電池組進(jìn)行管理和控制，其前提是必須準(zhǔn)確而又可靠的獲得電池現(xiàn)存的容量參數(shù)。電池的電壓及溫度是和電池容量密切相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，因此精確采集單體電池電壓及溫度是十分重要的。

二、常用測(cè)量方法分析

1、單體電池電壓測(cè)量方法分析
串聯(lián)電池組單體電池電壓的測(cè)量方法有很多，比較常見的有機(jī)械繼電器法隔離檢測(cè)、差分放大器法隔離檢測(cè)、電壓分壓法隔離檢測(cè)、光電繼電器法等。機(jī)械繼電器法可直接測(cè)量每個(gè)單體的電壓，但是機(jī)械繼電器使用壽命有限、動(dòng)作速度慢，不宜使用在長(zhǎng)期快速巡檢過程中。差分放大器隔離法的測(cè)量誤差基本上由隔離放大器的誤差所決定，但是由于每一路的測(cè)量成本比較高，因此在經(jīng)濟(jì)性上略顯不足。電壓分壓法的響應(yīng)速度快、測(cè)量的成本低，但是其缺點(diǎn)是不能很好的調(diào)節(jié)分壓比例，測(cè)量精度也不能令人滿意。光電繼電器隔離
法的響應(yīng)速度快，工作壽命長(zhǎng)，測(cè)量的成本相對(duì)較低，開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)，能夠起到電壓隔離的作用，若選用的光電繼電器采取PhotoMOS 技術(shù)，則能達(dá)到較高的測(cè)量精度，所以光電繼電器隔離法是比較理想的單體電池電壓測(cè)量方法。本文的單體電池電壓測(cè)量方法就是基于光電繼電器隔離法實(shí)現(xiàn)的。

光電繼電器的通斷控制策略是光電繼電器隔離法要解決的重要問題。常用的光電繼電器的通斷控制方法有：I/O 直接控制、譯碼器控制、模擬開關(guān)控制等。I/O 直接控制方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是需要占用大量的I/O 資源。譯碼器控制和模擬開關(guān)控制的思想類似，即用數(shù)量少的I/O 去控制數(shù)量多的光電繼電器，這兩種方法減少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關(guān)控制都需要將通斷控制電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及處理器設(shè)計(jì)在同一個(gè)模塊即采樣模塊上，這樣的話單體電池的兩個(gè)電極就需引線到采樣模塊上，整個(gè)電池組來(lái)講就會(huì)有大量的導(dǎo)線連到采樣模塊，造成安裝的繁瑣和電氣走線的復(fù)雜性。對(duì)單體電池電壓的測(cè)量，應(yīng)著重解決三個(gè)問題：使用現(xiàn)場(chǎng)與測(cè)量系統(tǒng)的電氣隔離、降低成本和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案、提高系統(tǒng)精度。I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關(guān)控制這三種光電繼電器的通斷控制方法在設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性方面就顯得不足。

本文提出一種由移位寄存陣控制光電繼電器通斷的光電繼電器隔離單體電池電壓測(cè)量方法。該方法將光電繼電器通斷控制電路直接設(shè)計(jì)安裝在電池上，之間的走線用排線串聯(lián)起來(lái)即可，使設(shè)計(jì)方案得到了很大的簡(jiǎn)化，安裝方便，電氣走線簡(jiǎn)潔明了。

2、單體電池溫度測(cè)量方法分析

電池溫度對(duì)電池的容量、電壓、內(nèi)阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響，所以電池在使用中必須進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

目前單體電池溫度的測(cè)量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據(jù)電阻—溫度關(guān)系可計(jì)算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個(gè)電池上，分時(shí)將不同電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進(jìn)行溫度采樣，實(shí)現(xiàn)單體電池溫度的巡檢。采用在熱敏電阻測(cè)量溫度，其測(cè)量精度為±1.0℃，誤差較大。同時(shí)有時(shí)由于制造工藝原因，熱敏電阻個(gè)體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測(cè)量校準(zhǔn)的困難。進(jìn)行多點(diǎn)溫度巡檢時(shí)，同樣要解決分時(shí)通道選通問題，所以同樣就需要考慮設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔性問題。

本文基于移位寄存陣控制通道選通的思想，提出了一種采用數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行同時(shí)啟動(dòng)分時(shí)讀取數(shù)據(jù)的多點(diǎn)溫度采樣方法。采用該方法采樣精度較高，采樣速度快，安裝簡(jiǎn)潔方便。

三、測(cè)量原理和電路

1、單體電池電壓測(cè)量原理

本文作者曾經(jīng)基于光電繼電器隔離法設(shè)計(jì)了一套電池管理系統(tǒng)，單體電池電壓的測(cè)量是采用分時(shí)測(cè)量的方法。串聯(lián)電池組中各個(gè)電池的兩端通過光電繼電器隔離，然后統(tǒng)一連接到檢測(cè)總線
上。按照一定的時(shí)間策略控制光電繼電器的通斷，可控制單體電池在不同的時(shí)間段單獨(dú)將電壓施加在檢測(cè)總線上，從而實(shí)現(xiàn)單體電池電壓的分時(shí)檢測(cè)。該方法的巡檢周期短，測(cè)量精度高。但是控制光電繼電器的通斷需要占用大量的I/O 資源，這就限制了電池管理系統(tǒng)可管理電池的數(shù)量。同時(shí)在電池管理系統(tǒng)的實(shí)際安裝時(shí)，由于電池兩端需要引線到采集模塊，所以就會(huì)有比較多的走線，導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)安裝的不方便及電動(dòng)車電氣走線的復(fù)雜性。本文為了改善以上的不足，提出一種新的光電繼電器控制策略。光電繼電器與串聯(lián)電池組的連接方式如圖1 所示。

圖 1 中，E1,E2,……En 表示的是電池組，雙刀開關(guān)K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器組。在不同的時(shí)間分別單獨(dú)導(dǎo)通K1,K2,……Kn，即可實(shí)現(xiàn)單體電池E1,E2,……En 的電壓測(cè)量。光電繼電器組的通斷是由D 觸發(fā)器串聯(lián)而成的移位寄存陣控制，只需兩個(gè)I/O 口分別提供時(shí)鐘信號(hào)（CLK）和數(shù)據(jù)信號(hào)（D）即可工作，大大減少了I/O 資源的占用。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)D 觸發(fā)器和一對(duì)光電繼電器構(gòu)成選通模塊，一個(gè)電池對(duì)應(yīng)一個(gè)選通模塊，所以直接將選通模塊安裝在電池上，選通模塊之間用排線串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成由移位寄存陣控制的選通電路。選通電路與電壓采集電路之間也用排線連接，需要的線數(shù)量很少，所以電池管理系統(tǒng)安裝方便，電氣走線簡(jiǎn)潔明了。

2、單體電池溫度測(cè)量原理

電池溫度的測(cè)量采用DALLAS 公司的DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 采用單總線技術(shù)，測(cè)溫范圍-55°C~+125°C，全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換及輸出，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫
度采樣。需要說(shuō)明的是，采用DS18B20 多點(diǎn)組網(wǎng)功能也可以實(shí)現(xiàn)單體電池溫度采樣，但是多點(diǎn)采樣時(shí)需要識(shí)別每個(gè)DS18B20 獨(dú)有的ROM 碼，影響采樣速度，同時(shí)無(wú)法將ROM碼同器件的實(shí)際物理位置關(guān)聯(lián)起來(lái)，所以多點(diǎn)組網(wǎng)功能不適合單體電池溫度的巡檢。基于由D 觸發(fā)器構(gòu)成的移位寄存陣所具有的通道選通功能，本文提出一種同時(shí)啟動(dòng)，分時(shí)讀取數(shù)據(jù)的DS18B20 多點(diǎn)溫度采樣方法。該種方法中DS18B20的采樣啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取都是跳過ROM 碼校驗(yàn)進(jìn)行的。DS18B20 的連接方式如圖2 所示。

圖中 K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器，其通斷情況同樣由移位寄存陣控制。一開始K1,K2,……Kn 全部閉合，MCU向所有DS18B20 發(fā)送采樣啟動(dòng)命令，啟動(dòng)命令發(fā)送完后斷開所有光電繼電器，然后逐個(gè)閉合K1,K2,……Kn，讀取相應(yīng)傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)讀取數(shù)據(jù)。采用同時(shí)啟動(dòng)分時(shí)讀取數(shù)據(jù)的多點(diǎn)溫度采樣方法，其所用時(shí)間僅比單點(diǎn)溫度采樣所用的時(shí)間多了數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間，所以其采樣速度比較快。

3、移位寄存陣原理

移位寄存陣是由D 觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成的，它與光電繼電器一起構(gòu)成選通電路。圖3 中，D1,D2,……Dn 表示的是D 觸發(fā)器，每個(gè)D 觸發(fā)器的輸出Q 是下一個(gè)D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號(hào)，所有的D 觸發(fā)器由相同的時(shí)鐘信號(hào)控制。D 觸發(fā)器的反碼輸出Q 用來(lái)控制對(duì)應(yīng)的光電繼電器的通斷，當(dāng)Q 為高電平時(shí)光電繼電器斷開，當(dāng)Q 為低電平時(shí)光電繼電器導(dǎo)通。通過控制第一個(gè)D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)D1,D2,……Dn 的Q 逐個(gè)輸出低電平即移位功能，從而控制光電繼電器K1,K2,……Kn按順序的逐個(gè)單獨(dú)閉合，實(shí)現(xiàn)通道選通功能。

移位寄存陣的工作時(shí)序圖如圖 4 所示。其中，CLK 是時(shí)鐘信號(hào)，D 為移位寄存陣中第一個(gè)D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號(hào)，Q 1,取的D 觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)工作。在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿時(shí)，將D 置高電平，第一個(gè)D 觸發(fā)器的輸出Q1 在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿和第二個(gè)上升沿的時(shí)間段內(nèi)是高電平，Q 1為低電平。接下來(lái)一直將D 置為電平，每次時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來(lái)的時(shí)候，D 觸發(fā)器的輸出Q 的高電平狀態(tài)就會(huì)依次傳給下一個(gè)D 觸發(fā)器，即移位寄存陣的D 觸發(fā)器的Q 端依次在不同的時(shí)間段單獨(dú)輸出高電平，從而Q 1, Q 2,…… Q n 依次輸出低電平。在Q 1, Q 2, …… Q n 的控制下，光電繼電器K1,K2,……Kn 依次閉合。

四、測(cè)量程序設(shè)計(jì)

測(cè)量程序采用C 語(yǔ)言按照模塊化方法進(jìn)行編寫，分為通道選擇、A/D 采樣和溫度采樣三個(gè)模塊。在進(jìn)行電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可方便得將這三個(gè)模塊移植到電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)程序中，為電池管理系統(tǒng)提供電壓和溫度數(shù)據(jù)。測(cè)量程序
的流程圖如圖5 所示。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

取一個(gè)電動(dòng)摩托車的動(dòng)力鋰電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電池的容量為40AH。實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)電池進(jìn)行0.15C（6A）放電，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓和溫度。在電池電壓從3.9V 降到2.7V 的過程中，每隔40mV 讀取一次測(cè)量值。同時(shí)用五位半電壓表和高精度的溫度計(jì)進(jìn)行電壓和溫度的測(cè)量，測(cè)量的值就視為實(shí)際電壓和實(shí)際溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電壓測(cè)量的平均誤差小于10mV，溫度測(cè)量的平均誤差小于0.1℃，由此可見本文提出的方法可較準(zhǔn)確的測(cè)量單體電池的電壓及溫度。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于移位寄存陣控制的單體電池電壓及溫度測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的電壓及溫度的巡檢，巡檢的電池?cái)?shù)量可靈活的增加和減少。相對(duì)于其他的測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)?？蔀殡姵毓芾硖峁?zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，在電池應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的前景。