一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案

1、具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點的鋰離子電池，在便攜式電子設備、電動汽車、 空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應用前景。由若干節(jié)鋰離子電池經(jīng)串聯(lián)組成的動力鋰離子電池組 目前應用最為廣泛。由于每節(jié)單體電池的電壓不一致，使用中電池不允許過充電、過放電，電池的性能和 壽命受溫度影響較大等特點，必須對串聯(lián)鋰離子電池組進行監(jiān)測，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)問題立即報警，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。文獻1采用直接采樣法，將要測量的單體電池電壓存儲在非電容上進行測量

2、。該方法反應時間慢、誤差較大、控制復雜；文獻2采用運放和光藕繼電器來測量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對光耦的線性度要求很高，導致硬件成本較高。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，導致應用 不靈活、硬件成本高等缺點。文中研制了一種動力鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)，對串聯(lián)鋰離子電池組的單體電 壓和電池組的溫度進行在線監(jiān)測，當單體電池電壓偏離規(guī)定區(qū)間時，監(jiān)測系統(tǒng)啟動報警程序進行聲、光報 警；當電池組溫度偏離規(guī)定的區(qū)間時，監(jiān)測系統(tǒng)啟動風扇或加熱控制電路，并存儲有關(guān)數(shù)據(jù)，確保電池組 正常工作。整個監(jiān)測系統(tǒng)具有連續(xù)測量分量、簡單經(jīng)濟、精度高和可靠性高的特點。1技

3、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)測系統(tǒng)包括采用51系列單片機的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態(tài)采集模塊、信號調(diào)理模塊，報警及處理系統(tǒng)模塊，監(jiān)測系統(tǒng)可以通過RS485接口與PC機組成分布式監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)一臺PC監(jiān)測多個串聯(lián)電池組，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。狀態(tài)采集模塊包括對單體電池的電壓和電池組的溫度等參數(shù)進行采集，然后待測量信號進行處理，通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣后傳輸給單片機進行數(shù)據(jù)處理，將有效數(shù)據(jù)通過串口傳到本地PC機，監(jiān)測人員可以通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)的進行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態(tài)進行及時的處理，確保其工作的可 靠性。:Jzj是分1運放1亠差分 -ft-運放數(shù)字溫度 憑ja芯

4、片電 ttVf)調(diào)1<換整電路電池組選通控制信號51 單 片 機一I光報警I聲音報警圖1串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2串聯(lián)鋰離子電池組的共地問題串聯(lián)鋰離子電池組電壓測量的方法有多種，最簡單的是電阻分壓測量方法，該方法缺點是大阻值電阻 的漂移誤差和電阻漏電流導致測量精度低，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單 體電池用一個隔離運算放大器，但是它的體積大且價格高，適于測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的 場合。設計選用德州儀器公司的INA117來解決串聯(lián)鋰離子電池組的共地問題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±

5、; 200 V,適合于高精度的測量。INA117內(nèi)置了 380 k Q、20 k Q和21. 1 k Q3個電阻，因此外部電路省去精密電阻，減少了精密電阻帶來的誤差和系統(tǒng)復雜程度。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1腳都接相節(jié)電池負極該檢測系統(tǒng)采用16個INA117分別把16節(jié)鋰離子電池的單體電壓挑選出來。如果它們的同的地，就可以使16個INA117都有相同的信號地，A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣。共地點選在第8和第9節(jié)電池正極的連接處。40 V.同理,每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5 V,由圖3可得，第1個

6、INA117的3腳的輸入電勢最高為第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(guān)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(guān)選用MUX16為16選1可正負電壓輸入模擬開關(guān)，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

7、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(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10 V, ± 5 V .內(nèi)部自帶+ 4. 096 V 參考 1所示。信協(xié)議，+ 5 V供電，模擬輸入電壓范圍010 V,05 V,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，如表表1理想情況下模擬電壓輸入對應的數(shù)字輸出模擬輸入電壓范ff

8、l二込制救字輸出二進制故字輸出111 11 mi 11117FF00000 00)0 OOfM)000-0+001 220 7nil till 1 Hlr-FT-4.999 987 21000 0(X)0' 0<XM»800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A/D轉(zhuǎn)換器。情況下，誤差在1 mV以內(nèi)。因此，使用INA117和MAX12

9、72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MAX1272的線路連接圖如圖4所示。51 I"1)1機1小MAX (272a © 1)扶r>i'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 gF鉭電容和 0. 1 gF陶瓷電 容。PCB布線時，這兩個電容都要求盡量接近MAX12721.4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(jié)果誤差較大，且當

10、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。51 單 片 機圖5溫度巡回檢測系統(tǒng)框圖.)GDV|GDVCDVGDVQhInqdNQDNQnUJI1.)J)DSI8DS 18Dm18H2OB20820T,采用外部5V供電，總線上可掛接多片路。測溫范圍-55+ 125 G測溫精度：程中，單片機芯片需對 DS18B20發(fā)命令字，同時也需要讀取由 器的I /O必須被設置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。DS18B20,且可以同時進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，而無需外接驅(qū)動電在-10+ 85 C范圍內(nèi)的精度為± 0. 5DS18B20采集到

11、的溫度。在溫度采集過 因此，單片機控制本檢測系統(tǒng)每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片同時檢測 8點溫DS18B20,設置8個溫度監(jiān)測點，當溫度高于10 C時，顯示8個溫度點中最高的度。實際應用時由單片機軟件判斷出需要顯示的溫度值：溫度值；當溫度低于10 C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(guān)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

12、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。V丄11-C«r路接口圖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(guān)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 C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 C時