一、引言
隨著純電動車及混合動力車的發(fā)展，作為重要儲能設備的串聯(lián)電池組是影響整車性能的一個關鍵因素。
延長電池壽命，提高電池的使用效率是電動汽車商品化、實用化的關鍵。由于水桶效應的存在，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行有效管理，需要實時監(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單體電池電壓十分重要。
二、現(xiàn)有單體電池檢測方法
目前單體電池電壓測量方法有許多，主要可歸納為分壓電阻降壓、浮動地測量、模擬開關選通等幾種方法，下面就這些方法做一個分析：
1、電阻分壓法
電阻分壓法主要是通過電阻分壓將實際電壓衰減到測量芯片可接受的電壓范圍，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。U1對應BT1 的電壓，Un-1 對應從BT1 到BTn-1 之間的電壓，Un 對應整個電池組的電壓，如圖1 所示。這種方法測量方面，成本低，壽命長，但是存在累積誤差，且無法消除。隨著單體電池數(shù)的增多，單體電池電壓測量誤差會隨著共模電壓的增大而增大。
圖1 電阻分壓方案
2、浮動地測量法
使用浮動地技術測量電池端電壓時，窗口比較器會自動判斷當前低電位是否合適。如果合適直接啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換進行測量;如果太高或太低，則通過微控制器經(jīng)數(shù)模對低電位進行浮動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)場干擾而變化，不能對低電位進行精確控制，影響整個系統(tǒng)的測量效果。
3、模擬開關法
采用模擬開關的方案通過模擬開關選擇測量通道，每個通道采用運算放大器組成線性采樣電路。當選中需要進行測量的通道后，模擬開關的輸出經(jīng)電壓跟隨器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(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?shù)姆糯蟊稊?shù)，不必電阻分壓網(wǎng)絡或改變低電位就可以直接測量任意一只電池的電壓，測量方便。但是該方法需要數(shù)量眾多的運放和精密匹配電阻，成本高，且電阻的分散性會導致測量結果分散性較高。
提出采用開關矩陣構建測量電路，該方案成本低，測量精度高，但是需要絕對值電路。文獻[5]采用運算放大器結合繼電器的方法，可以克服溫漂問題，但是與采用模擬開關的方法一樣，也需要大量的運算放大器和繼電器，且繼電器會有壽命問題。
三、新型單體電池電壓檢測方法
1、整體方案
由于差分放大器可以克服共模信號的干擾，而只對差分信號進行處理。利用開關矩陣把每個單體電池的兩端引出，即可進行端電壓的測量而不受到其它電池的影響。該方案整體結構如圖2所示，當SB1和SB2閉合時，其它開關都關斷，電池BT1的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負端，經(jīng)過差分放大器放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換;當SB2和SB3閉合而其它開關都關斷時，電池BT2的兩端電位進行差分放大器的正端和負端，依次類推可以測量所有電池組中的單體電池電壓。
圖2 拓撲圖
每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5 V,由圖3 可得，第1 個INA117 的3 腳的輸入電勢最高為40 V.同理，第16 個INA117 的2 腳輸入電勢最低為- 40 V.第1 至8 個INA117 的輸出電壓為正，第9 至16 個INA117 的輸出電壓為負，所以多選一模擬開關和A/D 轉(zhuǎn)換器都要求可以輸入正、負電壓。多選一模擬開關選用MUX16,為16 選1 可正負電壓輸入模擬開關，因此16節(jié)電池只需1 個MUX16.但由于單片機IO 口有限，文中用一片74LS154 擴展了IO 口，僅用單片機的4 個IO 口即可控制MUX16 分別選通單節(jié)鋰離子電池進行電壓采樣。
圖3 16 個INA117 的共地點接法
1. 3 A/D 轉(zhuǎn)換器
監(jiān)測電池組無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A/D 轉(zhuǎn)換器[4]。各節(jié)電池輸入的測量電壓通過多選一模擬開關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、可通過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。當采用內(nèi)部+ 4. 096 V 參考電壓時，理想情況下模擬電壓輸入對應的數(shù)字輸出，如表1 所示。
表1 理想情況下模擬電壓輸入對應的數(shù)字輸出
由表1 可知，MAX1272 輸出的數(shù)字量最高位是符號位，余下的11 位是數(shù)據(jù)。負數(shù)以補碼的形式給出。
參考電壓為+ 4. 096 V 時，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，這兩個電容都要求盡量接近MAX1272。
1. 4 溫度監(jiān)測
針對串聯(lián)電池組，傳統(tǒng)的測溫方法多采用模擬溫度傳感器進行測量，在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測得的結果誤差較大，且當測量點較多時，連線較復雜。文中采用單片機和單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 來解決上述問題[5].其原理如圖5 所示。
圖5 溫度巡回檢測系統(tǒng)框圖
采用外部5 V 供電，總線上可掛接多片DS18B20,且可以同時進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，而無需外接驅(qū)動電路。測溫范圍- 55 ~ + 125 ℃; 測溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內(nèi)的精度為± 0. 5 ℃; 在溫度采集過程中，單片機芯片需對DS18B20 發(fā)命令字，同時也需要讀取由DS18B20 采集到的溫度。因此，單片機控制器的I /O必須被設置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。
本檢測系統(tǒng)每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片DS18B20,設置8 個溫度監(jiān)測點，同時檢測8 點溫度。實際應用時由單片機軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當溫度高于10 ℃時，顯示8 個溫度點中最高的溫度值; 當溫度低于10 ℃時，顯示8 個溫度點中最低的溫度值，達到有效合理的溫度監(jiān)控效果。
1. 5 風扇及加熱控制電路
對于電池的散熱問題，設計了風扇控制電路，通過對測量到的電池溫度值進行判斷，決定風扇的開啟或關閉。當溫度過高時，單片機將發(fā)出信號開啟風扇。
電路如圖6 所示，F(xiàn)AN 為低電平時，晶體管9014 不導通，此時繼電器無動作; 當FAN 為高電平時，晶體管9014 導通，使得繼電器觸點吸合，風扇在24 V 電源電壓的供電下開始工作。
圖6 風扇控制電路
對于應用環(huán)境復雜的串聯(lián)鋰離子電池組，除了要考慮溫度過高的情況，還要考慮溫度過低的情況。因為電池在溫度過低的環(huán)境下運行時，會使鋰離子活性變差，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。形成的鋰金屬會與電解液發(fā)生不可逆的反應。
如果鋰離子電池長期在低溫下工作，則將使電池的容量下降明顯。因此根據(jù)需要設計了加熱器控制電路，原理如風扇控制電路。
2 監(jiān)測系統(tǒng)的性能
實測證明，使用INA117、16 選1 模擬開關MUX16、MAX1272、51 單片機和DS18B20 的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測16 節(jié)3. 7 V 鋰離子電池，電壓的測量誤差完全在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)。電壓和溫度的測量均達到要求，系統(tǒng)運行可靠。當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓< 2. 2 V 時，單片機調(diào)用輕度報警程序進行聲光報警，并通報存在問題的電池。
當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓> 5 V 時，單片機調(diào)用嚴重報警程序進行聲光報警。如果溫度值超出預設溫度值的容許范圍，串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)進行聲光報警。風扇和加熱控制電路均能根據(jù)設定溫度正常啟動控制電路。當溫度低于5 ℃時，啟動加熱控制電路; 溫度高于50 ℃時，啟動風扇控制電路。
3 結束語
串聯(lián)鋰離子電池組檢測系統(tǒng)，采用高共模抑制比差分運放INA117 解決了共地問題，監(jiān)測電壓誤差正負10 mV,如要進一步提高檢測精度，可以選用高位A/D轉(zhuǎn)換器。檢測時，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測模塊上的，要保證接線正確。根據(jù)實際應用，可把幾個檢測系統(tǒng)串接起來檢測更多的串聯(lián)鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過INA117 的最大保護共模電壓范圍。
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