串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由若干節(jié)鋰離子電池經(jīng)串聯(lián)組成的動(dòng)力鋰離子電池組目前應(yīng)用最為廣泛。由于每節(jié)單體電池的電壓不一致，使用中電池不允許過(guò)充電、過(guò)放電，電池的性能和壽命受溫度影響較大等特點(diǎn)，必須對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保在使用中鋰離子電池具有良好的狀態(tài)，或者使用中電池出現(xiàn)問(wèn)題立即報(bào)警，電源管理系統(tǒng)立即采取保障措施，并提醒相關(guān)人員檢修。單體電壓和電池組的溫度是辨別串聯(lián)鋰離子電池組是否正常工作的主要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[1]采用直接采樣法，將要測(cè)量的單體電池電壓存儲(chǔ)在非電容上進(jìn)行測(cè)量。該方法反應(yīng)時(shí)間慢、誤差較大、控制復(fù)雜; 文獻(xiàn)[2]采用運(yùn)放和光藕繼電器來(lái)測(cè)量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對(duì)光耦的線性度要求很高，導(dǎo)致硬件成本較高。目前，直接采用集成芯片的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)受到青睞，但該方法串聯(lián)電池的數(shù)目固定，導(dǎo)致應(yīng)用不靈活、硬件成本高等缺點(diǎn)。文中研制了一種動(dòng)力鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和電池組的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)單體電池電壓偏離規(guī)定區(qū)間時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警程序進(jìn)行聲、光報(bào)警; 當(dāng)電池組溫度偏離規(guī)定的區(qū)間時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱控制電路，并存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)，確保電池組正常工作。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有連續(xù)測(cè)量分量、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。

1 技術(shù)和方案

1. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括采用51 系列單片機(jī)的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態(tài)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊，報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)RS485 接口與PC 機(jī)組成分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC 監(jiān)測(cè)多個(gè)串聯(lián)電池組，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

狀態(tài)采集模塊包括對(duì)單體電池的電壓和電池組的溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，然后待測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將有效數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到本地PC 機(jī)，監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析從而掌握電池組的工作情況，對(duì)不安全的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的處理，確保其工作的可靠性。

圖1 串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1. 2 串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)題

串聯(lián)鋰離子電池組電壓測(cè)量的方法有多種，最簡(jiǎn)單的是電阻分壓測(cè)量方法，該方法缺點(diǎn)是大阻值電阻的漂移誤差和電阻漏電流導(dǎo)致測(cè)量精度低，且影響電池組的一致性。另外一種較為常用的方法是每一個(gè)單體電池用一個(gè)隔離運(yùn)算放大器，但是它的體積大且價(jià)格高，適于測(cè)量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)選用德州儀器公司的INA117 來(lái)解決串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)題[3].INA117 的失真為0. 001%; 共模擬制比最小86 dB，共模輸入電壓范圍± 200 V，適合于高精度的測(cè)量。

INA117 內(nèi)置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 個(gè)電阻，因此外部電路省去精密電阻，減少了精密電阻帶來(lái)的誤差和系統(tǒng)復(fù)雜程度。圖2 是INA117 輸出1 節(jié)電池電壓的接法，6 腳和1 腳之間的電壓就是1 節(jié)電池兩端的電壓差。

圖2 INA117 輸出電壓是兩輸入電壓之差的接法

該檢測(cè)系統(tǒng)采用16 個(gè)INA117 分別把16 節(jié)鋰離子電池的單體電壓挑選出來(lái)。如果它們的1 腳都接相同的地，就可以使16 個(gè)INA117 都有相同的信號(hào)地，A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。共地點(diǎn)選在第8 節(jié)電池負(fù)極和第9 節(jié)電池正極的連接處。

每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5 V，由圖3 可得，第1 個(gè)INA117 的3 腳的輸入電勢(shì)最高為40 V.同理，第16 個(gè)INA117 的2 腳輸入電勢(shì)最低為- 40 V.第1 至8 個(gè)INA117 的輸出電壓為正，第9 至16 個(gè)INA117 的輸出電壓為負(fù)，所以多選一模擬開(kāi)關(guān)和A/D 轉(zhuǎn)換器都要求可以輸入正、負(fù)電壓。多選一模擬開(kāi)關(guān)選用MUX16，為16 選1 可正負(fù)電壓輸入模擬開(kāi)關(guān)，因此16節(jié)電池只需1 個(gè)MUX16.但由于單片機(jī)IO 口有限，文中用一片74LS154 擴(kuò)展了IO 口，僅用單片機(jī)的4 個(gè)IO 口即可控制MUX16 分別選通單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行電壓采樣。

圖3 16 個(gè)INA117 的共地點(diǎn)接法

1. 3 A/D 轉(zhuǎn)換器

監(jiān)測(cè)電池組無(wú)需用很高的采樣速度采樣每節(jié)電池的電壓，16 節(jié)電池電壓的采樣共用1 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器[4]。各節(jié)電池輸入的測(cè)量電壓通過(guò)多選一模擬開(kāi)關(guān)MUX16 與A/D 轉(zhuǎn)換器連接。根據(jù)電池電壓的更新周期和電壓要求，A/D 轉(zhuǎn)換器傳送給單片機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換值誤差最大為10 mV.選擇美信公司MAX1272.

MAX1272 是具有故障保護(hù)、可通過(guò)軟件選擇輸入范圍的12 位串行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使用SPI 三線通信協(xié)議，+ 5 V 供電，模擬輸入電壓范圍0 ~ 10 V，0 ~ 5 V，± 10 V，± 5 V.內(nèi)部自帶+ 4. 096 V 參考電壓。當(dāng)采用內(nèi)部+ 4. 096 V 參考電壓時(shí)，理想情況下模擬電壓輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出，如表1 所示。

表1 理想情況下模擬電壓輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出

由表1 可知，MAX1272 輸出的數(shù)字量最高位是符號(hào)位，余下的11 位是數(shù)據(jù)。負(fù)數(shù)以補(bǔ)碼的形式給出。

參考電壓為+ 4. 096 V 時(shí)，1LSB = 1. 220 7 mV.

MAX1272 的最大量化誤差，加上非線性、失調(diào)等誤差的影響，總誤差約為5 mV.INA117 精度高，正常情況下，誤差在1 mV 以內(nèi)。因此，使用INA117 和MAX1272 的組合，可以滿足串聯(lián)鋰離子電池組電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電壓誤差10 mV 以下的要求。需要更高的電壓精度，需要選用更高分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換器。

MAX1272 的線路連接圖如圖4 所示。

圖4 MAX1272 的線路連接圖

圖4 中MAX1272 采用了內(nèi)部參考電壓，6 腳VREF 和地之間接2. 2 μF 鉭電容和0. 1 μF 陶瓷電容。

PCB 布線時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。

1. 4 溫度監(jiān)測(cè)

針對(duì)串聯(lián)電池組，傳統(tǒng)的測(cè)溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測(cè)得的結(jié)果誤差較大，且當(dāng)測(cè)量點(diǎn)較多時(shí)，連線較復(fù)雜。文中采用單片機(jī)和單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 來(lái)解決上述問(wèn)題[5]。其原理如圖5 所示。

圖5 溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)框圖

采用外部5 V 供電，總線上可掛接多片DS18B20，且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，而無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)電路。測(cè)溫范圍- 55 ~ + 125 ℃; 測(cè)溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內(nèi)的精度為± 0. 5 ℃; 在溫度采集過(guò)程中，單片機(jī)芯片需對(duì)DS18B20 發(fā)命令字，同時(shí)也需要讀取由DS18B20 采集到的溫度。因此，單片機(jī)控制器的I /O必須被設(shè)置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。

本檢測(cè)系統(tǒng)每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片DS18B20，設(shè)置8 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)8 點(diǎn)溫度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由單片機(jī)軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當(dāng)溫度高于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最高的溫度值; 當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最低的溫度值，達(dá)到有效合理的溫度監(jiān)控效果。

1. 5 風(fēng)扇及加熱控制電路

對(duì)于電池的散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)了風(fēng)扇控制電路，通過(guò)對(duì)測(cè)量到的電池溫度值進(jìn)行判斷，決定風(fēng)扇的開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，單片機(jī)將發(fā)出信號(hào)開(kāi)啟風(fēng)扇。

電路如圖6 所示，F(xiàn)AN 為低電平時(shí)，晶體管9014 不導(dǎo)通，此時(shí)繼電器無(wú)動(dòng)作; 當(dāng)FAN 為高電平時(shí)，晶體管9014 導(dǎo)通，使得繼電器觸點(diǎn)吸合，風(fēng)扇在24 V 電源電壓的供電下開(kāi)始工作。

圖6 風(fēng)扇控制電路

對(duì)于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜的串聯(lián)鋰離子電池組，除了要考慮溫度過(guò)高的情況，還要考慮溫度過(guò)低的情況。因?yàn)殡姵卦跍囟冗^(guò)低的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，會(huì)使鋰離子活性變差，嵌入和脫出能力下降，容易在石墨晶體表面沉積，形成鋰金屬。形成的鋰金屬會(huì)與電解液發(fā)生不可逆的反應(yīng)。

如果鋰離子電池長(zhǎng)期在低溫下工作，則將使電池的容量下降明顯。因此根據(jù)需要設(shè)計(jì)了加熱器控制電路，原理如風(fēng)扇控制電路。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能

實(shí)測(cè)證明，使用INA117、16 選1 模擬開(kāi)關(guān)MUX16、MAX1272、51 單片機(jī)和DS18B20 的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)16 節(jié)3. 7 V 鋰離子電池，電壓的測(cè)量誤差完全在10 mV 以內(nèi)。溫度方面，由于DS18B20 精度較高，溫度誤差在1 ℃以內(nèi)。電壓和溫度的測(cè)量均達(dá)到要求，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。當(dāng)串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓< 2. 2 V 時(shí)，單片機(jī)調(diào)用輕度報(bào)警程序進(jìn)行聲光報(bào)警，并通報(bào)存在問(wèn)題的電池。

當(dāng)串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓> 5 V 時(shí)，單片機(jī)調(diào)用嚴(yán)重報(bào)警程序進(jìn)行聲光報(bào)警。如果溫度值超出預(yù)設(shè)溫度值的容許范圍，串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。風(fēng)扇和加熱控制電路均能根據(jù)設(shè)定溫度正常啟動(dòng)控制電路。當(dāng)溫度低于5 ℃時(shí)，啟動(dòng)加熱控制電路; 溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇控制電路。

3 結(jié)束語(yǔ)

串聯(lián)鋰離子電池組檢測(cè)系統(tǒng)，采用高共模抑制比差分運(yùn)放INA117 解決了共地問(wèn)題，監(jiān)測(cè)電壓誤差正負(fù)10 mV，如要進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，可以選用高位A/D轉(zhuǎn)換器。檢測(cè)時(shí)，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測(cè)模塊上的，要保證接線正確。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可把幾個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)串接起來(lái)檢測(cè)更多的串聯(lián)鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過(guò)INA117 的最大保護(hù)共模電壓范圍。