串聯(lián)電池組電壓檢測(cè)電路的精度研究

1 引言

　　串聯(lián)電池組廣泛應(yīng)用于手?jǐn)y式工具、筆記本電腦、通訊電臺(tái)以及便攜式電子設(shè)備、航天衛(wèi)星、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能裝置中。為了使電池組的可用容量最大化及提高電池組的可靠性，電池組中的單體電池性能應(yīng)該一致，從而需對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)控，即需要對(duì)單體電池的電壓進(jìn)行測(cè)量。

　　串聯(lián)電池組電壓測(cè)量的方法有很多，目前應(yīng)用較多的是差分檢測(cè)型[1]與電流源檢測(cè)型[2]兩種。差分檢測(cè)型需要2個(gè)電阻對(duì)的阻值嚴(yán)格匹配，否則將影響電池組電壓的檢測(cè)精度，該方法使用中為了減少檢測(cè)線漏電流對(duì)電池組一致性的影響[3]，需要增加電阻的阻值，這樣將增加了大規(guī)模生產(chǎn)的難度并降低了檢測(cè)精度。而電流檢測(cè)型的檢測(cè)電路中僅需要一個(gè)電阻對(duì)的阻值匹配，文獻(xiàn)[2]中提到為了提高檢測(cè)的精度，需要小阻值的電阻匹配，但增大了檢測(cè)線漏電流。在實(shí)際使用過(guò)程中為了減小檢測(cè)線漏電流對(duì)電池組一致性的影響，以及減少電壓檢測(cè)電路的功耗，需要在電壓檢測(cè)線路上增加開(kāi)關(guān)控制器件，往往采用光耦或者光電繼電器[4]。

　　文獻(xiàn)[2]的電流型電壓檢測(cè)電路具有較好的性能，但當(dāng)電壓低于2V時(shí)無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，本文首先對(duì)文獻(xiàn)[2]的電壓檢測(cè)電路進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)大了電壓檢測(cè)范圍。其次以改進(jìn)的電壓檢測(cè)電路并以光電繼電器作為控制開(kāi)關(guān)，對(duì)影響電壓檢測(cè)精度的因素進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)一種電子開(kāi)關(guān)的方式來(lái)取代光電繼電器，從而提高了電壓檢測(cè)精度。

2 影響電壓測(cè)量精度的因素分析

　　文獻(xiàn)[2]中的電流型電壓檢測(cè)電路測(cè)量精度高，但也存在著一定的缺陷，首先為了測(cè)量精度高，必須盡可能的減小電阻對(duì)的阻值，這必然增加了檢測(cè)電路的漏電流；其次為了滿足電路中的MOSFET管能正常作用，電路中運(yùn)放的反向輸入端與系統(tǒng)地之間的電壓一般要大于3V以上，由于單體電池電壓一般在2.0V～4.2V之間，因此為了滿足要求必須用于兩節(jié)單體電池以上，對(duì)于電池組中靠近系統(tǒng)地的兩節(jié)單體電池?zé)o法用此方法進(jìn)行測(cè)量。

　　本文采用了三極管Q1來(lái)取代文獻(xiàn)[2]中的MOSFET，主要是因?yàn)镸OSFET的開(kāi)啟電壓一般都在2.5V以上，因此當(dāng)單體電池電壓低于2.5V時(shí)，文獻(xiàn)[2]中的電路將無(wú)法檢測(cè)，而電池的電壓檢測(cè)范圍要求檢測(cè)到1V以下，而改進(jìn)后的電路能滿足這種需求，如圖1所示。

圖1 電流源型電壓檢測(cè)電路

　　圖中CELLn為第n節(jié)單體電池的電壓，該電路可以對(duì)多串電池組的電壓進(jìn)行測(cè)量，并且不受串聯(lián)節(jié)數(shù)的限制，而對(duì)串聯(lián)電池組中的第一節(jié)單體電壓不用采用該電路測(cè)量，可直接測(cè)量或者通過(guò)電阻分壓得到。該電路的工作原理如下：在電路正常工作時(shí)，運(yùn)放處于放大狀態(tài)，運(yùn)放的1、3腳為虛短虛斷狀態(tài)，即3腳的電壓等于CELLn+1端的電壓，而由于運(yùn)放的輸入阻抗非常大，因此電阻R3上的電流可忽略，在電阻R1上就是一節(jié)單體電池的電壓，流過(guò)電阻R1的電流大小為：

I=（VCELLn+1-VCELLn+2）/R1 （1）

　　同時(shí)，三極管Q1的發(fā)射極到基極的電流相對(duì)于發(fā)射極到集電極的電流可以忽略，于是第n+2 節(jié)單體電池的電壓為：

CELLn+2_V=I*R2=（VCELLn+1-VCELLn+2）R2/R1 （2）[!--empirenews.page--]
 
　　由于本文實(shí)驗(yàn)中采用的采樣電路參考電壓為2.5V，因此需要把電池電壓進(jìn)行2倍衰減，所以選擇了R1=2R2，電路中電容C1為去耦電容，電阻R5為限流電阻，電阻R4用于保證電路可靠工作，為了減少電壓檢測(cè)電路的漏電流，在每節(jié)單體電池電壓檢測(cè)線上加入AQW216光電繼電器作為檢測(cè)控制開(kāi)關(guān)，如圖2所示，當(dāng)需要檢測(cè)電池電壓時(shí)，通過(guò)控制端打開(kāi)光電繼電器，檢測(cè)完關(guān)閉光電繼電器，可有效減少檢測(cè)時(shí)的漏電流對(duì)電池組一致性的影響。
 

圖2 電壓測(cè)量電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)

　　就以上改進(jìn)型的電流型電壓檢測(cè)電路和光電繼電器對(duì)1V~5V檢測(cè)范圍內(nèi)的電壓采取了幾個(gè)采樣點(diǎn)的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，可以看出檢測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值存在著一定的偏差。

表1 電壓測(cè)量誤差表

 
　　根據(jù)分析可知，電壓檢測(cè)的誤差主要分為以下幾個(gè)部分：（1）光電繼電器AQW216上的壓降；（2）電壓檢測(cè)電路的偏差；（3）采樣系統(tǒng)的偏差，主要包括基準(zhǔn)源的電壓偏差以及采樣誤差。

　?。?）光電繼電器的誤差。光電繼電器的特性，受溫度和導(dǎo)通內(nèi)阻的影響都較多，為了驗(yàn)證光電繼電器導(dǎo)致的測(cè)量誤差，在不同溫度調(diào)節(jié)下對(duì)光電繼電器和電壓檢測(cè)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在光電繼電器上壓降如圖3所示，可以看出測(cè)試電壓越高，光電繼電器上的壓降越大，最大差異約6mV左右，而溫度越高，壓降也越大，最大差異約7mV左右。

圖3 不同溫度下光耦壓降圖

　　(2) 電壓檢測(cè)電路的誤差。電壓檢測(cè)電路中的誤差主要來(lái)自于電阻對(duì)的偏差以及三極管的偏差。對(duì)電壓檢測(cè)電路在不同溫度下的放大倍數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電壓檢測(cè)電路放大倍數(shù)不同溫度對(duì)照?qǐng)D[!--empirenews.page--]

　　(3) 采樣系統(tǒng)的測(cè)量誤差。由于采樣系統(tǒng)存在著一定的采樣偏差，可以通過(guò)一些軟件濾波來(lái)減小，本實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)采用的是中值濾波，即對(duì)同樣的值連續(xù)采樣10次，去掉最大值和最小值，再取平均，不同溫度下的采樣誤差如圖5所示。

圖5 不同溫度下采樣電路誤差圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在常溫工作中影響電池組電壓檢測(cè)精度的主要因素是光電繼電器，而在不同溫度下影響檢測(cè)精度的主要因素是光電繼電器和采樣系統(tǒng)的偏差?？梢钥闯龉怆娎^電器是影響電壓檢測(cè)精度的主要因素，而在實(shí)際應(yīng)用中這部分往往被忽視，而僅僅關(guān)注于電壓檢測(cè)電路的誤差，從而造成了測(cè)量精度的較大偏差。

　　光電繼電器部分的檢測(cè)誤差不僅隨著溫度變化，同時(shí)也隨著被測(cè)量的電壓值變化，從圖3中可以看到，同一測(cè)量溫度下，1V與4V的被測(cè)量電壓之間的測(cè)量誤差達(dá)到12mV。從圖5中可以看到，而采樣系統(tǒng)的誤差僅僅同溫度有關(guān)，而與被測(cè)量電壓值無(wú)關(guān)。

　　可以看出采樣系統(tǒng)的誤差相對(duì)于常溫，高溫和低溫的偏向?yàn)橥环较?，因此無(wú)法用直線擬合，可以通過(guò)溫度分段解決。電壓檢測(cè)電路部分的誤差也可以通過(guò)校正來(lái)減少，而光電繼電器部分的誤差較大，可以通過(guò)電子開(kāi)關(guān)來(lái)取代，如圖6所示，而且光電繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間都較長(zhǎng)，一般都需要保證在0.5mS以上，因此一次采樣中僅光電繼電器的控制時(shí)間就達(dá)到1ms，影響了采樣的速度，而采用了電子開(kāi)關(guān)后導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都非?？?，可大幅提高采樣的速度，圖6中由于MOSFET管M1的源柵極最大電壓一般在20V，而電池組中很多單體電池電壓相對(duì)于電池組的地已經(jīng)超過(guò)了20V，電阻R7、R8和R9通過(guò)分壓來(lái)保證M1的安全，在實(shí)際使用中，為了提高系統(tǒng)的可靠性，防止由于電阻R7、R8的虛焊或者漏焊導(dǎo)致M1被擊穿，電阻R7、R8一般采用并聯(lián)的方式。

圖6 電子開(kāi)關(guān)原理圖

　　通過(guò)以上的措施后，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，采用溫度分段模式，用來(lái)校正電壓檢測(cè)電路以及采樣系統(tǒng)的誤差，可提高電壓檢測(cè)的精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明常溫下實(shí)際電壓測(cè)量誤差小于5mV。

5 結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[2]的電壓檢測(cè)電路中的電流源型電路進(jìn)行了有效改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析導(dǎo)致電壓檢測(cè)誤差的因素，結(jié)果顯示光電繼電器是一個(gè)主要的影響因素。因此通過(guò)一種簡(jiǎn)單實(shí)用的電子開(kāi)關(guān)來(lái)取代光電繼電器，并通過(guò)溫度分段校正來(lái)減少電壓檢測(cè)電路和采樣系統(tǒng)的誤差，從而大幅提高了電壓檢測(cè)的精度。本文的提出的檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量精度高，具有很好的實(shí)用價(jià)值。