串聯(lián)鋰離子電池組監測系統的設計方案

摘要：介紹一個(gè)以51 系列單片機為主控單元的串聯(lián)鋰離子電池組監測系統。采用差分放大器和模擬開(kāi)關(guān)輪流檢測單體電池電壓，利用單片機的IO 接口和DS18B20 實(shí)現單總線(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測。系統簡(jiǎn)單經(jīng)濟，經(jīng)過(guò)試驗，能可靠、準確地對串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監測。

具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長(cháng)、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，在便攜式電子設備、電動(dòng)汽車(chē)、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用最為廣泛。由于每節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)，必須對串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監測，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問(wèn)題立即報警，電源管理系統立即采取保障措施，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(jìn)行測量。該方法反應時(shí)間慢、誤差較大、控制復雜; 文獻[2]采用運放和光藕繼電器來(lái)測量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對光耦的線(xiàn)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)鋰離子電池組監控系統受到青睞，但該方法串聯(lián)電池的數目固定，導致應用不靈活、硬件成本高等缺點(diǎn)。文中研制了一種動(dòng)力鋰離子電池組監測系統，對串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和電池組的溫度進(jìn)行在線(xiàn)監測，當單體電池電壓偏離規定區間時(shí)，監測系統啟動(dòng)報警程序進(jìn)行聲、光報警; 當電池組溫度偏離規定的區間時(shí)，監測系統啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱控制電路，并存儲有關(guān)數據，確保電池組正常工作。整個(gè)監測系統具有連續測量分量、簡(jiǎn)單經(jīng)濟、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。

1 技術(shù)和方案

1. 1 系統結構

串聯(lián)鋰離子電池組監測系統包括采用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、信號調理模塊，報警及處理系統模塊，監測系統可以通過(guò)RS485 接口與PC 機組成分布式監測系統，實(shí)現一臺PC 監測多個(gè)串聯(lián)電池組，系統結構框圖如圖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進(jìn)行采集，然后待測量信號進(jìn)行處理，通過(guò)A/D轉換器采樣后傳輸給單片機進(jìn)行數據處理，將有效數據通過(guò)串口傳到本地PC 機，監測人員可以通過(guò)對狀態(tài)數據的進(jìn)行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的處理，確保其工作的可靠性。

圖1 串聯(lián)鋰離子電池組監測系統結構圖

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量的方法有多種，最簡(jiǎn)單的是電阻分壓測量方法，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(gè)單體電池用一個(gè)隔離運算放大器，但是它的體積大且價(jià)格高，適于測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場(chǎng)合。設計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,適合于高精度的測量。

INA117 內置了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)的誤差和系統復雜程度。圖2 是INA117 輸出1 節電池電壓的接法，6 腳和1 腳之間的電壓就是1 節電池兩端的電壓差。

圖2 INA117 輸出電壓是兩輸入電壓之差的接法

該檢測系統采用16 個(gè)INA117 分別把16 節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 都有相同的信號地，A/D 轉換器進(jìn)行采樣。共地點(diǎn)選在第8 節電池負極和第9 節電池正極的連接處。