串聯(lián)電池組單體電池電壓檢測(cè)技術(shù)

一、引言

隨著純電動(dòng)車及混合動(dòng)力車的發(fā)展，作為重要儲(chǔ)能設(shè)備的串聯(lián)電池組是影響整車性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

延長(zhǎng)電池壽命，提高電池的使用效率是電動(dòng)汽車商品化、實(shí)用化的關(guān)鍵。由于水桶效應(yīng)的存在，串聯(lián)電池組的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，為了能夠?qū)Υ?lián)電池組的能量使用進(jìn)行有效管理，需要實(shí)時(shí)監(jiān)視串聯(lián)電池組中的單體電池狀態(tài)。在表征電池狀態(tài)的參數(shù)中，電池的端電壓最能體現(xiàn)其工作狀態(tài)，因此精確采集電池組中各個(gè)單體電池電壓十分重要。

二、現(xiàn)有單體電池檢測(cè)方法

目前單體電池電壓測(cè)量方法有許多，主要可歸納為分壓電阻降壓、浮動(dòng)地測(cè)量、模擬開關(guān)選通等幾種方法，下面就這些方法做一個(gè)分析：

1、電阻分壓法

電阻分壓法主要是通過(guò)電阻分壓將實(shí)際電壓衰減到測(cè)量芯片可接受的電壓范圍，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。U1對(duì)應(yīng)BT1 的電壓，Un-1 對(duì)應(yīng)從BT1 到BTn-1 之間的電壓，Un 對(duì)應(yīng)整個(gè)電池組的電壓，如圖1 所示。這種方法測(cè)量方面，成本低，壽命長(zhǎng)，但是存在累積誤差，且無(wú)法消除。隨著單體電池?cái)?shù)的增多，單體電池電壓測(cè)量誤差會(huì)隨著共模電壓的增大而增大。

圖1 電阻分壓方案

2、浮動(dòng)地測(cè)量法

使用浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量電池端電壓時(shí)，窗口比較器會(huì)自動(dòng)判斷當(dāng)前低電位是否合適。如果合適直接啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)量;如果太高或太低，則通過(guò)微控制器經(jīng)數(shù)模對(duì)低電位進(jìn)行浮動(dòng)控制使低電位處于合適的狀態(tài)下。該方案由于低電位經(jīng)常受現(xiàn)場(chǎng)干擾而變化，不能對(duì)低電位進(jìn)行精確控制，影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量效果。

3、模擬開關(guān)法

采用模擬開關(guān)的方案通過(guò)模擬開關(guān)選擇測(cè)量通道，每個(gè)通道采用運(yùn)算放大器組成線性采樣電路。當(dāng)選中需要進(jìn)行測(cè)量的通道后，模擬開關(guān)的輸出經(jīng)電壓跟隨器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該方法根據(jù)串聯(lián)電池組總電壓的大小，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，不必電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或改變低電位就可以直接測(cè)量任意一只電池的電壓，測(cè)量方便。但是該方法需要數(shù)量眾多的運(yùn)放和精密匹配電阻，成本高，且電阻的分散性會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果分散性較高。

文獻(xiàn)[4]提出采用開關(guān)矩陣構(gòu)建測(cè)量電路，該方案成本低，測(cè)量精度高，但是需要絕對(duì)值電路。文獻(xiàn)[5]采用運(yùn)算放大器結(jié)合繼電器的方法，可以克服溫漂問(wèn)題，但是與采用模擬開關(guān)的方法一樣，也需要大量的運(yùn)算放大器和繼電器，且繼電器會(huì)有壽命問(wèn)題。

三、新型單體電池電壓檢測(cè)方法

1、整體方案

由于差分放大器可以克服共模信號(hào)的干擾，而只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理。利用開關(guān)矩陣把每個(gè)單體電池的兩端引出，即可進(jìn)行端電壓的測(cè)量而不受到其它電池的影響。該方案整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)SB1和SB2閉合時(shí)，其它開關(guān)都關(guān)斷，電池BT1的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負(fù)端，經(jīng)過(guò)差分放大器放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;當(dāng)SB2和SB3閉合而其它開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電池BT2的兩端電位進(jìn)行差分放大器的正端和負(fù)端，依次類推可以測(cè)量所有電池組中的單體電池電壓。

圖2 拓?fù)鋱D

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。多選一模擬開關(guān)選用MUX16,為16 選1 可正負(fù)電壓輸入模擬開關(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。